SUPER: Гонконгский университет создал безопасного высокоскоростного аэробота, революционизирующего навигацию дронов

Эндрю Корселли

SUPER может навигировать в сложных средах на высоких скоростях с уровнем безопасности, ранее недостижимым. (Изображение: HKU)

Проблема навигации дронов vs птиц

В отличие от птиц, которые навигируют в неизвестных средах с замечательной скоростью и ловкостью, дроны обычно полагаются на внешнюю навигацию или предварительно смаршрутизированные маршруты. Однако развитие профессором Фу Чжан и исследователями из Департамента механической инженерии Факультета инженерии Гонконгского университета (HKU) позволило дронам и микро-аэриальным транспортным средствам (MAV) эмулировать полетные способности птиц ближе, чем когда-либо.

Характеристики SUPER

Команда разработала Safety-Assured High-Speed Aerial Robot (SUPER), способный летать на скоростях, превышающих 20 метров в секунду [около 45 миль в час] и избегать препятствий толщиной всего 2,5 миллиметра [около 0,1 дюйма] — таких как линии электропередач или веточки — используя исключительно бортовой сенсоры и вычислительную мощность. С компактным дизайном с колесной базой всего 280 мм [около 11 дюймов] и взлетным весом 1,5 кг [около 3,3 фунтов], SUPER демонстрирует исключительную ловкость.

Чжан описывает это изобретение как гейм-чейнджер в области дрон-технологий: «Представьте "Робота-Птицу", быстро маневрирующую через лес, легко уворачивающуюся от веток и препятствий на высоких скоростях. Это значительный шаг вперед в технологии автономного полета. Наша система позволяет MAV навигировать в сложных средах на высоких скоростях с уровнем безопасности, ранее недостижимым. Это как дать дрону рефлексы птицы, позволяя ему уворачиваться от препятствий в реальном времени, мчась к своей цели».

Прорыв: интеграция железа и софта

Прорыв лежит в сложной интеграции железа и софта. SUPER использует легкий 3D LiDAR сенсор, способный обнаруживать препятствия до 70 метров [около 230 футов] с точечной точностью. Это парируется с передовым фреймворком планирования, генерирующим две траектории во время полета: одну, оптимизирующую скорость, входящую в неизвестные пространства, и другую, приоритизирующую безопасность, остающуюся в известных, свободных от препятствий зонах.

Обрабатывая данные LiDAR напрямую как облака точек, система значительно сокращает время вычислений, позволяя быстрым решениям даже на высоких скоростях. Технология была протестирована в различных реальных приложениях, таких как автономное исследование древних объектов, и продемонстрировала бесшовную навигацию как в помещениях, так и на открытом воздухе.

«Способность избегать тонких препятствий и навигировать в тесных пространствах открывает новые возможности для приложений вроде поиска и спасения, где каждая секунда считается. Надежность SUPER в различных условиях освещения, включая ночное время, делает его надежным инструментом для круглосуточных операций», — сказал ведущий автор Юнфан Жень.

Эксклюзивное интервью Tech Briefs с Чжаном

Tech Briefs: Какая была крупнейшая техническая проблема при разработке SUPER?

Чжан: Крупнейшим препятствием было построение малого дрона, который мог бы летать действительно быстро через неизвестные, беспорядочные места, как леса или зоны катастроф, без аварий. Нам нужно, чтобы он думал и реагировал быстро, используя только свои бортовой сенсоры и компьютер, что было трудно. Дрон должен был замечать препятствия далеко, планировать безопасные пути за несколько миллисекунд и избегать скрытых опасностей в областях, которые он не видел полностью. Заставить все эти части — скорость, безопасность и планирование в реальном времени — работать вместе на крошечном дроне было огромной проблемой.

Tech Briefs: Можете объяснить простыми терминами, как работает SUPER?

Чжан: SUPER — это маленький, сверх-ловкий дрон, который может пролетать через неизвестные места на высоких скоростях, как 45 миль в час, ни во что не врезаясь. Он использует лазерный сенсор LiDAR, чтобы «видеть» препятствия до 230 футов, создавая 3D-карту окружения, как деревья, провода или стены. Каждую десятую секунду бортовой компьютер SUPER планирует два пути: быстрый, предполагающий, что неисследованные области безопасны, для максимизации скорости, и резервный, придерживающийся областей, которые он знает чистыми, чтобы избежать аварий. Он выбирает лучший путь, чтобы летать быстро, но оставаться безопасным, все без внешней помощи вроде GPS или дополнительных компьютеров.

Tech Briefs: Каков был катализатор этой работы? Как это возникло?

Чжан: Мы были вдохновлены идеей дронов, помогающих в чрезвычайных ситуациях, как поиск людей в зонах катастроф или доставка припасов в трудных местах, где скорость и безопасность критичны. Большинство дронов либо летали быстро, но рисковали аварией, либо были слишком медленными, чтобы быть полезными в этих ситуациях. Мы увидели пробел: никто не построил дрон, который мог быть и быстрым, и безопасным в неизвестных местах, используя только свои сенсоры. Так что мы вышли создать SUPER, комбинируя новые лазерные сенсоры с умным планированием, чтобы сделать дрон, который мог справляться с реальными вызовами вроде поиска и спасения.

Tech Briefs: У вас есть планы на дальнейшие исследования/работу/и т.д.? Если нет, какие ваши следующие шаги?

Чжан: Мы взволнованы продолжать улучшать SUPER. Один большой план — сделать его лучше в обращении с движущимися объектами, как люди или транспортные средства, предсказывая, куда они пойдут дальше, чтобы планировать более гладкие, безопасные пути. Мы также хотим сделать дрон еще легче и более аэродинамичным, возможно, с лучшими моторами или более элегантным дизайном, чтобы он мог летать быстрее и использовать меньше энергии. Мы смотрим на апгрейд LiDAR для визуализации меньших объектов и больших расстояний. Плюс, мы исследуем способы ускорения софта с использованием мощных чипов вроде GPU, открывая двери к использованию вроде исследования неизвестных областей, инспекции мостов или быстрой и безопасной доставки посылок.

Tech Briefs: Есть ли что-то еще, что вы хотели бы добавить, о чем я не коснулся?

Чжан: Способность SUPER летать во всех условиях — день или ночь, через густые леса или тесные пространства — делает его особенным. Он может даже уворачиваться от сверхтонких препятствий, как 2,5-мм провод, который большинство дронов не могут видеть. Это делает его готовым для реальных работ, не только лабораторных тестов. Например, он мог отслеживать движущуюся машину или исследовать обрушившееся здание. Мы гордимся тем, что SUPER показывает, как дроны могут перейти от исследований к реальной помощи людям в трудных ситуациях, как помощь при катастрофах или экстренное реагирование, и надеемся, что это вдохновит больше практических робототехнических решений.

Tech Briefs: Есть ли у вас советы для исследователей, стремящихся воплотить свои идеи в жизнь (широко говоря)?

Чжан: Начните с реальной проблемы, которая важна для людей, как сделать жизнь легче или безопаснее. Объединитесь с другими, у кого разные навыки — может-être кто-то отличный в железе, другой в кодинге, или кто-то, кто знает практическую сторону вещей. Тестируйте свои идеи рано и часто, используя компьютерные симуляции и реальные эксперименты, чтобы замечать проблемы и чинить их. Не бойтесь провала; каждый тест учит вас чему-то. Будьте терпеливы и продолжайте давить, потому что превращение крутой идеи во что-то, работающее в реальном мире, требует времени, настойчивости и множества доработок.

Транскрипт видео

00:00:01 птицы давно очаровывали людей своей способностью навигировать на высоких скоростях через заваленные среды, сохраняя замечательно низкие частоты неудач, так же микроаэриальные средства среди самых ловких машин, созданных людьми, держат потенциал достижения птицеподобной ловкости в полете пока человеческие эксперты могут реплицировать птицеподобную ловкость балансируя

00:00:24 высокую скорость и безопасность в автономных полетах остается проблемой текущие подходы часто жертвуют безопасностью за скорость или наоборот это поднимает критический вопрос как автономные MAV могут достичь и высокой скорости и безопасных полетов в неизвестных реальных средах вводя super безопасность гарантированный высокоскоростной аэробот super компактен с колесной базой всего 280 мм и взлетным весом 1.5 кг достигая тяга-вес отношение больше 5.0 он оснащен 360° LiDAR сенсором способным обнаруживать объекты до 70 м с точечной скоростью превышающей 200 000 Гц с передовыми liar-базированными восприятием безопасностью гарантированным планированием и оптимальными

00:01:20 модулями управления super навигирует в неизвестных средах на скоростях выше 20 м/с полагаясь полностью на бортовой сенсинг и вычисления он может маневрировать ловко через крайне заваленные среды на высоких скоростях без компромисса безопасности с его передовым liar-базированным системой восприятия super может эффективно

00:01:51 обнаруживать и избегать тонких препятствий, таких как линии электропередач более того он может идентифицировать тонкие объекты меньше 2.5 мм всего за 20 миллисекунд обеспечивая точную навигацию через сложные среды, создающие значительные трудности для современных vision-базированных коммерческих продуктов активный механизм обнаружения лиара также позволяет суперу работать

00:02:21 круглосуточно даже в полной темноте благодаря этим исключительным возможностям super был протестирован по различным реальным приложениям он может быть применен для автономного исследования древних объектов бесшовно навигируя как в помещениях так и на открытом воздухе он также может проходить густые леса с гарантиями безопасности

00:02:51 преодолевая сложные препятствия супер ловкость распространяется на миссии отслеживания объектов позволяя ему близко следовать целям и избегать препятствий как в помещениях так и на открытом воздухе в течение дня и ночи с его высокоскоростными навигационными способностями безопасностью гарантированным дизайном и надежной производительностью super отмечает

00:03:22 значимую веху в переходе высокоскоростной автономной навигации из лаборатории в реальные приложения хотя не идеально исследователи надеются супер откроет новые возможности в будущих реальных сценариях таких как автономная доставка инспекция картографирование и поиск и спасение миссии