複雑な都市環境における低高度物流ドローンの階層的経路計画:幾何学的平滑化を伴う強化加重A*アプローチ
Hierarchical path planning for low-altitude logistics UAVs in complex urban environments: an enhanced weighted A* approach with geometric smoothing
低高度都市空域で運用される自律型物流ドローンは、障害物の密度が高く、規制によるジオフェンシング、予測不可能な都市部の風の挙動といった課題に直面する。既存のグリッドベースのプランナーは、エネルギーを浪費し旋回負荷を増大させる不経済な経路を生成する一方、生物学的・サンプリングベースの手法は実行時間のばらつきやハイパーパラメータの感度が高く、決定論的な配送スケジューリングを困難にしている。本研究では、経路長、累積旋回角、障害物接近リスクの3つの目的を単一の統一されたコスト関数に直接組み込み、探索中に実際に適用される強化加重A*アルゴリズム(w=1.5)と、残存するグリッド離散化アーティファクトを除去する貪欲なLOS(Line-of-Sight)後処理剤からなる階層的な「探索・平滑化」フレームワークを提案する。モンテカルロシミュレーション(N=50のランダム化都市シナリオ、障害物密度ρobs=20%)により、標準A*と比較して計算時間が42.8%削減され(p < 0.001)、累積旋回角が69.9%削減され(p < 0.001)、経路長はサブ最適ヒューリスティックインフレーションにもかかわらず標準A*ベースラインの1.8%以内に維持されることが統計的に有意に示された。Theta*および代表的なPSOベースラインとの比較により、提案手法の決定論的、低遅延物流展開における競争優位性が確認された。
- 強化加重A*アルゴリズムとLOS後処理からなる階層的経路計画フレームワークを提案し、標準A*と比較して計算時間を42.8%削減、累積旋回角を69.9%削減することをモンテカルロシミュレーション(N=50)で統計的に示した
物流ドローンの経路計画アルゴリズムの改善は、配送の決定性・低遅延性・エネルギー効率に直接関わるため、ドローン物流の商用化を目指す企業にとってコスト競争力の源泉となる。計算時間42.8%削減と旋回角69.9%削減は、実運用での配送スループット向上とバッテリー寿命延長に直結し、ドローン物流市場の規模拡大に寄与する可能性がある。