SUPER:De veilige, snelle luchtrobot van de Universiteit van Hong Kong zorgt voor een revolutie in drone-navigatie

Andrew Corselli

SUPER kan met hoge snelheden door complexe omgevingen navigeren met een veiligheidsniveau dat voorheen onbereikbaar was. (Afbeelding:HKU)

In tegenstelling tot vogels, die met opmerkelijke snelheid en behendigheid door onbekende omgevingen navigeren, vertrouwen drones doorgaans op externe begeleiding of vooraf in kaart gebrachte routes. Een ontwikkeling van professor Fu Zhang en onderzoekers van de afdeling Werktuigbouwkunde van de Faculteit Ingenieurswetenschappen van de Universiteit van Hong Kong (HKU) heeft het echter mogelijk gemaakt dat drones en microluchtvoertuigen (MAV's) de vliegmogelijkheden van vogels beter dan ooit tevoren kunnen nabootsen.

Het team heeft de Safety-Assured High-Speed Aerial Robot (SUPER) ontwikkeld, die met snelheden van meer dan 20 meter per seconde [ongeveer 45 mijl per uur] kan vliegen en obstakels kan vermijden die zo dun zijn als 2,5 millimeter [ongeveer 0,1 inch] – zoals hoogspanningskabels of twijgen – met behulp van uitsluitend ingebouwde sensoren en rekenkracht. Met een compact ontwerp met een wielbasis van slechts 280 mm [ongeveer 11 inch] en een startgewicht van 1,5 kg [ongeveer 3,3 pond], demonstreert SUPER uitzonderlijke wendbaarheid.

Zhang beschrijft deze uitvinding als een game-changer op het gebied van drone-technologie:"Stel je een 'Robot Bird' voor die snel door het bos manoeuvreert en moeiteloos takken en obstakels met hoge snelheden ontwijkt. Dit is een belangrijke stap voorwaarts in de autonome vluchttechnologie. Ons systeem stelt MAV's in staat om met hoge snelheden door complexe omgevingen te navigeren met een veiligheidsniveau dat voorheen onbereikbaar was. Het is alsof je de drone de reflexen van een vogel geeft, waardoor hij in realtime obstakels kan ontwijken terwijl hij naar zijn bestemming racet. doel."

De doorbraak ligt in de uitgekiende integratie van hardware en software. SUPER maakt gebruik van een lichtgewicht 3D-lichtdetectie- en bereiksensor (LiDAR) die obstakels tot op een afstand van 70 meter [ongeveer 230 voet] met uiterste nauwkeurigheid kan detecteren. Dit gaat gepaard met een geavanceerd planningsraamwerk dat tijdens de vlucht twee trajecten genereert:een die de snelheid optimaliseert door zich in onbekende ruimtes te begeven en een andere die prioriteit geeft aan de veiligheid door binnen bekende, obstakelvrije zones te blijven.

Door LiDAR-gegevens rechtstreeks als puntenwolken te verwerken, verkort het systeem de rekentijd aanzienlijk, waardoor zelfs bij hoge snelheden snelle besluitvorming mogelijk is. De technologie is getest in verschillende real-life toepassingen, zoals de autonome verkenning van oude locaties, en heeft naadloze navigatie aangetoond in zowel binnen- als buitenomgevingen.

"Het vermogen om dunne obstakels te vermijden en door krappe ruimtes te navigeren opent nieuwe mogelijkheden voor toepassingen zoals zoek- en reddingsacties, waarbij elke seconde telt. De robuustheid van SUPER onder verschillende lichtomstandigheden, inclusief 's nachts, maakt het een betrouwbaar hulpmiddel voor 24-uursoperaties", aldus hoofdauteur Yunfan Ren.

Hier is een exclusieve Tech Briefs interview, bewerkt voor lengte en duidelijkheid, met Zhang.

Technische slips :Wat was de grootste technische uitdaging waarmee u te maken kreeg tijdens de ontwikkeling van SUPER?

Zhang :De grootste hindernis was het bouwen van een kleine drone die heel snel door onbekende, rommelige plekken zoals bossen of rampgebieden kon vliegen zonder te crashen. We hadden het nodig om snel te denken en te reageren met alleen de ingebouwde sensoren en computer, wat lastig was. De drone moest obstakels ver weg opmerken, binnen enkele milliseconden veilige routes plannen en verborgen gevaren vermijden in gebieden die hij nog niet volledig had gezien. Het was een enorme uitdaging om al deze onderdelen – snelheid, veiligheid en realtime planning – samen te laten werken aan een kleine drone.

Technische slips :Kunt u in eenvoudige bewoordingen uitleggen hoe SUPER werkt?

Zhang :SUPER is een kleine, superwendbare drone die met hoge snelheden, zoals 70 kilometer per uur, door onbekende plaatsen kan zoeven zonder iets te raken. Het maakt gebruik van een lasersensor genaamd LiDAR om obstakels tot op 70 meter afstand te ‘zien’, waardoor een 3D-kaart van de omgeving ontstaat, zoals bomen, draden of muren. Elke tiende van een seconde plant de boordcomputer van SUPER twee paden:een snel pad dat ervan uitgaat dat onontdekte gebieden veilig zijn, om de snelheid te maximaliseren, en een back-uppad dat vasthoudt aan gebieden waarvan hij weet dat ze veilig zijn, om crashes te voorkomen. Het kiest het beste pad om snel te vliegen maar toch veilig te blijven, en dat allemaal zonder externe hulp zoals GPS of extra computers.

SUPER is getest in een verscheidenheid aan toepassingen in de echte wereld, waaronder situaties met volledige duisternis en rommelige omgevingen. (Afbeelding:HKU)

Technische slips :Wat was de katalysator voor dit werk? Hoe is het ontstaan?

Zhang :We werden geïnspireerd door het idee dat drones helpen in noodsituaties, zoals het vinden van mensen in rampgebieden of het leveren van voorraden op lastige plekken waar snelheid en veiligheid van cruciaal belang zijn. De meeste drones vlogen snel maar dreigden te crashen of waren te langzaam om in deze situaties bruikbaar te zijn. We zagen een leemte:niemand had een drone gebouwd die zowel snel als veilig kon zijn op onbekende plaatsen met alleen zijn eigen sensoren. Daarom wilden we SUPER creëren, door nieuwe lasersensoren te combineren met slimme planning om een drone te maken die echte uitdagingen zoals zoek- en reddingsacties aankan.

Technische slips :Heeft u vaste plannen voor verder onderzoek/werk/etc.? Zo niet, wat zijn uw volgende stappen?

Zhang :We zijn blij om SUPER te blijven verbeteren. Eén groot plan is om het beter te maken in het omgaan met bewegende objecten, zoals mensen of voertuigen, door te voorspellen waar ze heen zullen gaan om soepelere, veiligere paden te plannen. Ook willen we de drone nog lichter en aerodynamischer maken, misschien met betere motoren of een strakker ontwerp, zodat hij sneller kan vliegen en minder energie verbruikt. We kijken naar het upgraden van de LiDAR om kleinere objecten en grotere afstanden te kunnen zien. Bovendien onderzoeken we manieren om de software te versnellen met behulp van krachtige chips zoals GPU's, waardoor we de deur openen voor toepassingen zoals het verkennen van onbekende gebieden, het inspecteren van bruggen of het snel en veilig afleveren van pakketten.

Technische slips :Is er nog iets dat je wilt toevoegen dat ik niet heb genoemd?

Zhang :Het vermogen van SUPER om onder allerlei omstandigheden te vliegen – dag en nacht, door dichte bossen of krappe ruimtes – maakt hem speciaal. Hij kan zelfs superdunne obstakels ontwijken, zoals een draad van 2,5 millimeter, die de meeste drones niet kunnen zien. Dit maakt het klaar voor echte banen, niet alleen voor laboratoriumtests. Het kan bijvoorbeeld een rijdende auto volgen of een ingestort gebouw onderzoeken. We zijn er trots op dat SUPER laat zien hoe drones kunnen evolueren van onderzoek naar het daadwerkelijk helpen van mensen in moeilijke situaties, zoals rampenbestrijding of noodhulp, en we hopen dat het inspireert tot meer praktische robotica-oplossingen.

Technische slips :Heb je enig advies voor onderzoekers die hun ideeën (in grote lijnen) willen verwezenlijken?

Zhang :Begin met een echt probleem dat belangrijk is voor mensen, zoals het leven gemakkelijker of veiliger maken. Werk samen met anderen die andere vaardigheden hebben - misschien iemand die goed is in het bouwen van hardware, een ander in coderen, of iemand die de praktische kant van de dingen kent. Test uw ideeën vroeg en vaak, met behulp van computersimulaties en praktijkexperimenten om problemen op te sporen en op te lossen. Wees niet bang om te falen; elke test leert je iets. Blijf geduldig en blijf doorzetten, want het omzetten van een cool idee in iets dat in de echte wereld werkt, kost tijd, doorzettingsvermogen en veel aanpassingen.

Transcriptie

00:00:01 Vogels fascineren mensen al heel lang met hun vermogen om met hoge snelheid door rommelige omgevingen te navigeren, terwijl ze opmerkelijk lage uitvalpercentages behouden, vergelijkbaar met microair. Voertuigen die tot de meest wendbare machines behoren die door mensen zijn gemaakt, hebben het potentieel om vogelachtige wendbare vluchten uit te voeren, terwijl menselijke experts vogelachtige behendigheidsbalancering kunnen repliceren

00:00:24 Hoge snelheid en veiligheid bij autonome vluchten blijft een uitdaging. De huidige benaderingen offeren veiligheid vaak op voor snelheid, of andersom. Dit roept een kritische vraag op:hoe kunnen autonome Mavs zowel hogesnelheids- als veilige vluchten realiseren in onbekende echte wereldomgevingen?

00:00:51 robot super is compact met een wielbasis van slechts 280 mm en een startgewicht van 1,5 kg en bereikt een stuwkrachtverhouding van meer dan 5,0. hij is uitgerust met een 360° lichtdetectie en afstandssensor die objecten tot op 70 meter afstand kan detecteren met een puntsnelheid van meer dan 200.000 Herz met geavanceerde, op leugenaars gebaseerde perceptie, veiligheid verzekerde planning en optimale

00:01:20 De controlemodules navigeren super door onbekende omgevingen met snelheden van meer dan 20 m/s en vertrouwen volledig op de sensoren en berekeningen aan boord. Het kan met hoge snelheden behendig door extreem rommelige omgevingen manoeuvreren zonder de veiligheid in gevaar te brengen dankzij het geavanceerde, op leugenaars gebaseerde perceptiesysteem. Super efficiënt

00:01:51 dunne obstakels zoals hoogspanningslijnen detecteren en vermijden. bovendien kan het dunne objecten van minder dan 2,5 mm identificeren in slechts 20 milliseconden, waardoor nauwkeurige navigatie door uitdagende omgevingen mogelijk is die aanzienlijke problemen opleveren voor de modernste, op visie gebaseerde commerciële producten. Het actieve detectiemechanisme van de lar zorgt er ook voor dat super kan werken

00:02:21 de hele dag door, zelfs in totale duisternis dankzij deze uitzonderlijke mogelijkheden super is getest in verschillende toepassingen in de echte wereld het kan worden toegepast om autonoom oude locaties te verkennen en naadloos door zowel binnen- als buitenruimtes te navigeren het kan ook door dichte bossen reizen met veiligheidsgaranties

00:02:51 het overwinnen van complexe obstakels sup behendigheid strekt zich uit tot het volgen van objecten, waardoor het zowel overdag als 's nachts doelen op de voet kan volgen en obstakels kan vermijden in zowel binnen- als buitenomgevingen met zijn snelle navigatiemogelijkheden, veilig ontwerp en robuuste prestaties super markeert a

00:03:22 belangrijke mijlpaal in de transitie van snelle autonome navigatie van het laboratorium naar toepassingen in de echte wereld, hoewel niet perfecte onderzoekers hopen dat super nieuwe mogelijkheden zal ontsluiten in toekomstige scenario's in de echte wereld, zoals het in kaart brengen van autonome leveringsinspecties en zoek- en reddingsmissies