SUPER: Hong Kong Universiteit's veiligheidsgewaarborgde high-speed drone revolutioniseert navigatie

Andrew Corselli

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

In tegenstelling tot vogels, die onbekende omgevingen navigeren met opmerkelijke snelheid en wendbaarheid, vertrouwen drones typisch op externe begeleiding of vooraf gemapte routes. Echter, een ontwikkeling door Professor Fu Zhang en onderzoekers van de Afdeling Mechanische Engineering van de Faculteit Engineering aan de Universiteit van Hong Kong (HKU) heeft drones en micro air vehicles (MAVs) in staat gesteld de vluchtcapaciteiten van vogels nauwkeuriger dan ooit na te bootsen.

SUPER specificaties en capaciteiten

Het team heeft de Safety-Assured High-Speed Aerial Robot (SUPER) ontwikkeld, capabel van vliegen met snelheden boven de 20 meter per seconde [ongeveer 45 mijl per uur] en obstakels zo dun als 2,5 millimeter [ongeveer 0,1 inch] te vermijden — zoals hoogspanningslijnen of takjes — gebruikmakend uitsluitend van onboard 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 in drone technologie, "Beeld een 'Robot Vogel' die snel door het bos manoeuvreert, takken en obstakels moeiteloos ontwijkend bij hoge snelheden. Dit is een significante stap vooruit in autonoom vliegtuigtechnologie. Ons systeem stelt MAVs in staat om complexe omgevingen met hoge snelheden te navigeren met een veiligheidsniveau dat eerder onbereikbaar was. Het is alsof je de drone de reflexen van een vogel geeft, wat het in staat stelt om obstakels in realtime te ontwijken terwijl het racet naar zijn doel."

Doorbraak: hardware-software integratie

De doorbraak ligt in de sophistiquée integratie van hardware en software. SUPER gebruikt een lichtgewicht 3D light detection and ranging (LiDAR) sensor capabel van obstakels tot 70 meter [ongeveer 230 voet] te detecteren met spitsnauwkeurigheid. Dit is gepaard met een geavanceerd planning framework dat tijdens de vlucht twee trajecten genereert: één dat snelheid optimaliseert door onbekende ruimtes te betreden en een ander dat veiligheid prioriteert door binnen bekende, obstakel-vrije zones te blijven.

Door LiDAR data direct als point clouds te verwerken, verlaagt het systeem de berekeningstijd aanzienlijk, wat snelle besluitvorming zelfs bij hoge snelheden mogelijk maakt. De technologie is getest in diverse real-life toepassingen, zoals de autonoom verkenning van oude sites, en heeft naadloze navigatie in zowel binnen- als buitenomgevingen gedemonstreerd.

"Het vermogen om dunne obstakels te vermijden en door enge ruimtes te navigeren opent nieuwe mogelijkheden voor toepassingen zoals zoek en redding, waar elke seconde telt. SUPER's robuustheid in diverse verlichtingscondities, inclusief nacht, maakt het een betrouwbare tool voor rond-de-klok operaties," aldus Lead Author Yunfan Ren.

Exclusief Tech Briefs interview met Zhang

Tech Briefs: Wat was de grootste technische uitdaging die je tegenkwam tijdens het ontwikkelen van SUPER?

Zhang: De grootste obstakel was een kleine drone bouwen die echt snel door onbekende, rommelige plekken zoals bossen of rampenzones kon vliegen zonder te crashen. We hadden het nodig om snel te denken en te reageren met alleen zijn onboard sensoren en computer, wat lastig was. De drone moest obstakels ver weg spotten, veilige paden in enkele milliseconden plannen, en verborgen gevaren in gebieden die het nog niet volledig had gezien, vermijden. Al deze stukken — snelheid, veiligheid en realtime planning — samen laten werken op een kleine drone was een enorme uitdaging.

Tech Briefs: Kun je in eenvoudige termen uitleggen hoe SUPER werkt?

Zhang: SUPER is een kleine, super-wendbare drone die door onbekende plekken kan zoemen met hoge snelheden, zoals 45 mijl per uur, zonder iets te raken. Het gebruikt een lasersensor genaamd LiDAR om obstakels tot 230 voet weg te "zien", een 3D kaart creërend van zijn omgeving, zoals bomen, draden of muren. Elke tiende seconde plant SUPER's onboard computer twee paden: een snelle die assumpt dat onverkte gebieden veilig zijn, om snelheid te maximaliseren, en een backup die vastblijft aan gebieden die het weet dat ze duidelijk zijn, om crashes te vermijden. Het kiest het beste pad om snel te vliegen maar veilig te blijven, zonder externe hulp zoals GPS of extra computers nodig te hebben.

SUPER heeft getest in een verscheidenheid aan realworld toepassingen, inclusief situaties met volledige duisternis en vervuilde omgevingen. (Afbeelding: HKU)

Tech Briefs: Wat was de katalysator voor dit werk? Hoe kwam het tot stand?

Zhang: We werden geïnspireerd door het idee van drones helpen in noodgevallen, zoals mensen vinden in rampgebieden of leveringen leveren in lastige plekken waar snelheid en veiligheid kritiek zijn. Meeste drones vlogen ofwel snel maar riskeerden te crashen of waren te traag om nuttig te zijn in deze situaties. We zagen een gap: Niemand had een drone gebouwd die zowel snel en veilig kon zijn in onbekende plekken met alleen zijn eigen sensoren. Dus, we zetten uit om SUPER te creëren, combineren nieuwe lasersensoren met slimme planning om een drone te maken die realworld uitdagingen als zoek en redding kan aan.

Tech Briefs: Heb je concrete plannen voor verder onderzoek/werk/etc.? Zo niet, wat zijn je volgende stappen?

Zhang: We zijn enthousiast om SUPER te blijven verbeteren. Een groot plan is om het beter te maken in het omgaan met bewegende objecten, zoals mensen of voertuigen, door te voorspellen waar ze naartoe gaan om gladere, veiligere paden te plannen. We willen de drone ook nog lichter en aerodynamischer maken, misschien met betere motoren of een slanker ontwerp, zodat het sneller kan vliegen en minder energie verbruikt. We kijken naar het upgraden van de LiDAR om kleinere objecten en verder afstanden te zien. Plus, we verkennen manieren om de software te versnellen met krachtige chips zoals GPUs, wat de deur opent voor toepassingen zoals onbekende gebieden verkennen, bruggen inspecteren of pakketten snel en veilig leveren.

Tech Briefs: Is er iets anders dat je toe wilt voegen dat ik niet aangeraakt heb?

Zhang: SUPER's vermogen om in allerlei condities te vliegen — dag of nacht, door dichte bossen of enge ruimtes — maakt het bijzonder. Het kan zelfs superdunne obstakels ontwijken, zoals een 2,5-millimeter draad, wat meeste drones niet kunnen zien. Dit maakt het klaar voor realworld banen, niet alleen lab tests. Zum voorbeeld, het kan een bewegende auto volgen of een ingestorte gebouw verkennen. We zijn trots dat SUPER laat zien hoe drones van onderzoek naar daadwerkelijk mensen helpen in moeilijke situaties kunnen gaan, zoals rampenhulp of noodrespons, en we hopen dat het meer praktische robotica oplossingen inspireert.

Tech Briefs: Heb je advies voor onderzoekers die hun ideeën willen realiseren (breed gesproken)?

Zhang: Begin met een echt probleem dat voor mensen belangrijk is, zoals het leven makkelijker of veiliger maken. Team up met anderen die verschillende vaardigheden hebben — misschien iemand geweldig in hardware bouwen, een andere in coderen, of iemand die de praktische kant kent. Test je ideeën vroeg en vaak, met computersimulaties en realworld experimenten om problemen te spotten en te fixen. Wees niet bang te falen; elke test leert je iets. Blijf geduldig en duw door, want een cool idee omzetten in iets dat in de echte wereld werkt kost tijd, grit en veel bijstellen.

Transcript

00:00:01 vogels hebben lang mensen gefascineerd met hun vermogen om met hoge snelheden door vervuilde omgevingen te navigeren terwijl ze opmerkelijk lage falenratios behouden similair microair Vehicles onder de meest wendbare machines geschapen door mensen houden het potentieel om vogel-achtige wendbare vluchten te bereiken terwijl menselijke experts kunnen repliceren vogel-achtige wendbaarheid balanceren

00:00:24 hoge snelheid en veiligheid in autonoom vliegen blijft een uitdaging huidige benaderingen offer vaak veiligheid voor snelheid of vice versa dit verheft een kritische vraag hoe kunnen autonoom Mavs zowel hoge-snelheid en veilige vluchten in onbekende real world omgevingen bereiken introduceren super een veiligheid gewaarborgde hoge-snelheid aeriale

00:00:51 robot super is compact met een wielbasis van slechts 280 mm en een startgewicht van 1.5 kg bereikt een duw gewicht ratio groter dan 5.0 het is uitgerust met een 360° light detection and ranging sensor capabel van objecten tot 70 M te detecteren met een punt snelheid van meer dan 200.000 Hertz met geavanceerde liar gebaseerde perceptie veiligheid gewaarborgde planning en optimale

00:01:20 controle modules super navigeert onbekende omgevingen met snelheden boven 20 m/s uitsluitend vertrouwend op onboard sensing en computatie het kan nimbly manoeuvreren door extreem vervuilde omgevingen met hoge snelheden zonder veiligheid in te boeten met zijn geavanceerde liar gebaseerde perceptie systeem super kan efficiënt

00:01:51 detecteren en vermijden dunne obstakels zoals hoogspanningslijnen meer over het kan dunne objecten minder dan 2.5 mm in slechts 20 milliseconden identificeren wat nauwkeurige navigatie door uitdagende omgevingen mogelijk maakt die significante moeilijkheden poseren voor state-of-the-art vision-based commerciële producten de actieve detectie mechaniek van de lar stelt ook super in staat om

00:02:21 de hele dag te opereren zelfs in totale duisternis dankzij deze uitzonderlijke capaciteiten super is getest over diverse real world toepassingen het kan toegepast worden om autonoom oude sites te verkennen naadloos navigeren zowel binnen als buiten het kan ook door dichte bossen met veiligheidsgaranties

00:02:51 complexe obstakels overwinnen sup wendbaarheid strekt zich uit tot object tracking missie waardoor het dicht bij targets kan volgen en obstakels vermijden in zowel binnen als buiten omgevingen tijdens zowel dag als nacht met zijn hoge-snelheid navigatievaardigheden veiligheid gewaarborgde ontwerp en robuuste prestaties super markeert een

00:03:22 significante mijlpaal in het overgaan van hoge-snelheid autonoom navigatie van het laboratorium naar real world toepassingen hoewel niet perfect hopen onderzoekers dat super nieuwe mogelijkheden zal ontgrendelen in toekomstige real world scenario's zoals autonoom levering inspectie mapping en zoek en redding missies