СУПЕР:Высокоскоростной воздушный робот Гонконгского университета произвел революцию в навигации с помощью дронов

Эндрю Корселли

SUPER может перемещаться в сложных условиях на высоких скоростях с ранее недостижимым уровнем безопасности. (Изображение:HKU)

В отличие от птиц, которые перемещаются в неизвестной среде с поразительной скоростью и ловкостью, дроны обычно полагаются на внешнее руководство или заранее намеченные маршруты. Однако разработка профессора Фу Чжана и исследователей кафедры машиностроения инженерного факультета Гонконгского университета (HKU) позволила дронам и микровоздушным транспортным средствам (MAV) имитировать летные возможности птиц более точно, чем когда-либо прежде.

Команда разработала безопасного высокоскоростного воздушного робота (SUPER), способного летать со скоростью более 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 ветки, используя исключительно встроенные датчики и вычислительную мощность. Благодаря компактному дизайну с колесной базой всего 280 мм [около 11 дюймов] и взлетной массой 1,5 кг [около 3,3 фунта] SUPER демонстрирует исключительную маневренность.

Чжан описывает это изобретение как переломный момент в области технологий дронов:"Представьте себе "робота-птицу", быстро маневрирующего в лесу, легко уклоняющегося от веток и препятствий на высоких скоростях. Это значительный шаг вперед в технологии автономного полета. Наша система позволяет MAV перемещаться в сложных условиях на высоких скоростях с ранее недостижимым уровнем безопасности. Это все равно, что дать дрону рефлексы птицы, что позволяет ему уклоняться от препятствий в реальном времени во время полета к цели. ее цель».

Прорыв заключается в сложной интеграции аппаратного и программного обеспечения. SUPER использует легкий 3D-датчик обнаружения света и измерения дальности (LiDAR), способный обнаруживать препятствия на расстоянии до 70 метров [около 230 футов] с высокой точностью. Это сочетается с усовершенствованной системой планирования, которая генерирует две траектории во время полета:одна оптимизирует скорость, отправляясь в неизвестные места, а другая отдает приоритет безопасности, оставаясь в известных зонах без препятствий.

Обрабатывая данные LiDAR непосредственно в виде облаков точек, система значительно сокращает время вычислений, позволяя быстро принимать решения даже на высоких скоростях. Технология была протестирована в различных реальных приложениях, таких как автономное исследование древних мест, и продемонстрировала плавную навигацию как внутри, так и снаружи помещений.

"Способность избегать тонких препятствий и перемещаться в ограниченном пространстве открывает новые возможности для таких приложений, как поиск и спасение, где каждая секунда имеет значение. Надежность SUPER в различных условиях освещения, в том числе в ночное время, делает его надежным инструментом для круглосуточной работы", - сказал ведущий автор Юнфан Рен.

Вот эксклюзивные Технические обзоры интервью с Чжаном, отредактированное для обеспечения длины и ясности.

Технические обзоры :С какой самой большой технической проблемой вы столкнулись при разработке SUPER?

Чжан :Самым большим препятствием было создание небольшого дрона, который мог бы летать очень быстро через неизвестные, грязные места, такие как леса или зоны стихийных бедствий, не разбиваясь. Нам нужно было, чтобы он быстро думал и реагировал, используя только бортовые датчики и компьютер, а это было непросто. Дрон должен был обнаруживать препятствия на большом расстоянии, планировать безопасные пути за несколько миллисекунд и избегать скрытых опасностей в областях, которые он еще не видел полностью. Совместить все эти составляющие — скорость, безопасность и планирование в реальном времени — в крошечном дроне было огромной проблемой.

Технические обзоры :Можете ли вы объяснить простыми словами, как работает SUPER?

Чжан :SUPER — это небольшой, сверхпроворный дрон, который может пролетать через неизвестные места на высоких скоростях, примерно 45 миль в час, ни во что не задев. Он использует лазерный датчик LiDAR, чтобы «видеть» препятствия на расстоянии до 230 футов, создавая трехмерную карту своего окружения, например, деревья, провода или стены. Каждую десятую долю секунды бортовой компьютер SUPER планирует два пути:быстрый, который предполагает, что неисследованные области безопасны, чтобы максимизировать скорость, и резервный, который придерживается тех областей, которые, как он знает, свободны, чтобы избежать сбоев. Он выбирает лучший маршрут, чтобы летать быстро и оставаться в безопасности, и при этом вам не нужна внешняя помощь, например, GPS или дополнительные компьютеры.

SUPER прошел тестирование в различных реальных приложениях, в том числе в условиях полной темноты и загроможденности помещений. (Изображение:HKU)

Технические обзоры :Что послужило катализатором этой работы? Как это произошло?

Чжан :Нас вдохновила идея дронов, помогающих в чрезвычайных ситуациях, например, для поиска людей в зонах стихийных бедствий или доставки грузов в трудные места, где скорость и безопасность имеют решающее значение. Большинство дронов либо летали быстро, но рисковали разбиться, либо были слишком медленными, чтобы быть полезными в таких ситуациях. Мы увидели пробел:никто не построил дрон, который мог бы быть быстрым и безопасным в неизвестных местах, используя только свои собственные датчики. Итак, мы решили создать SUPER, объединив новые лазерные датчики с умным планированием, чтобы создать дрон, способный решать реальные задачи, такие как поиск и спасение.

Технические обзоры :Есть ли у вас какие-либо планы на дальнейшие исследования/работу/и т.д.? Если нет, каковы ваши дальнейшие действия?

Чжан :Мы рады продолжать совершенствовать SUPER. Один большой план состоит в том, чтобы улучшить работу с движущимися объектами, такими как люди или транспортные средства, путем прогнозирования, куда они пойдут дальше, и планирования более плавных и безопасных путей. Мы также хотим сделать дрон еще легче и более аэродинамичным, возможно, с лучшими двигателями или более изящным дизайном, чтобы он мог летать быстрее и потреблять меньше энергии. Мы рассматриваем возможность модернизации LiDAR, чтобы он мог видеть объекты меньшего размера и на больших расстояниях. Кроме того, мы изучаем способы ускорения работы программного обеспечения с помощью мощных чипов, таких как графические процессоры, открывая возможности для таких задач, как исследование неизвестных территорий, проверка мостов или быстрая и безопасная доставка посылок.

Технические обзоры :Есть ли что-нибудь еще, чего бы вы хотели добавить, чего я не коснулся?

Чжан :Способность SUPER летать в любых условиях — днем и ночью, через густой лес или ограниченное пространство — делает его особенным. Он может даже уклоняться от сверхтонких препятствий, таких как проволока толщиной 2,5 мм, которую большинство дронов не видят. Это делает его готовым к реальной работе, а не только к лабораторным испытаниям. Например, он может отслеживать движущуюся машину или исследовать разрушенное здание. Мы гордимся тем, что SUPER показывает, как дроны могут перейти от исследований к реальной помощи людям в сложных ситуациях, например, при стихийных бедствиях или реагировании на чрезвычайные ситуации, и надеемся, что это вдохновит на более практичные решения в области робототехники.

Технические обзоры :Есть ли у вас какой-нибудь совет исследователям, желающим воплотить свои идеи в жизнь (в широком смысле)?

Чжан :Начните с реальной проблемы, которая важна для людей, например, сделайте жизнь проще или безопаснее. Объединитесь с другими людьми, обладающими разными навыками — возможно, с кем-то, кто хорошо разбирается в создании оборудования, с кем-то, кто умеет программировать, или с кем-то, кто знает практическую сторону вещей. Проверяйте свои идеи как можно раньше и чаще, используя компьютерное моделирование и реальные эксперименты, чтобы выявлять проблемы и устранять их. Не бойтесь потерпеть неудачу; каждый тест чему-то вас учит. Будьте терпеливы и продолжайте настаивать, потому что превращение крутой идеи во что-то, что работает в реальном мире, требует времени, упорства и множества настроек.

Расшифровка

00:00:01 птицы уже давно очаровали людей своей способностью перемещаться на высоких скоростях в загроможденной среде, сохраняя при этом удивительно низкий уровень отказов. Точно так же микровоздушные транспортные средства среди самых маневренных машин, созданных людьми, обладают потенциалом для достижения птичьих маневренных полетов, в то время как специалисты-люди могут воспроизвести баланс маневренности птиц.

00:00:24 высокая скорость и безопасность автономных полетов остаются проблемой. Нынешние подходы часто жертвуют безопасностью ради скорости, или наоборот, это поднимает критический вопрос, как автономные Mavs могут достичь как высокоскоростных, так и безопасных полетов в неизвестных реальных условиях, внедряя сверхбезопасную высокоскоростную антенну

00:00:51 Робот-супер компактен с колесной базой всего 280 мм и взлетной массой 1,5 кг, достигая коэффициента тягового веса более 5,0. Он оснащен датчиком обнаружения света и дальности на 360 °, способным обнаруживать объекты на расстоянии до 70 м с частотой точек, превышающей 200 000 Гц, с расширенным восприятием на основе лжеца, безопасностью, гарантированным планированием и оптимальным

00:01:20 Модули управления превосходно перемещаются в неизвестной среде на скорости более 20 м/с, полностью полагаясь на бортовые датчики и вычисления. Они могут ловко маневрировать в чрезвычайно захламленной среде на высоких скоростях, не ставя под угрозу безопасность, благодаря своей усовершенствованной системе восприятия, основанной на лжеце, супер может эффективно

00:01:51 обнаруживает и обходит тонкие препятствия, такие как линии электропередач, кроме того, он может идентифицировать тонкие объекты размером менее 2,5 мм всего за 20 миллисекунд, обеспечивая точную навигацию в сложных условиях, которые создают значительные трудности для современных коммерческих продуктов на основе машинного зрения. Механизм активного обнаружения lar также позволяет супер работать

00:02:21 весь день, даже в полной темноте, благодаря этим исключительным возможностям super был протестирован в различных реальных приложениях, его можно применять для автономного исследования древних мест, беспрепятственно перемещаясь как по внутреннему, так и по открытому пространству, он также может пересекать густые леса с гарантиями безопасности

00:02:51 преодоление сложных препятствий, гибкость распространяется и на отслеживание объектов, позволяя ему внимательно следовать за целями и избегать препятствий как в помещении, так и на открытом воздухе как днем, так и ночью, благодаря высокоскоростным навигационным возможностям, безопасному дизайну и надежным характеристикам, высшим баллам a

00:03:22 важная веха в переходе высокоскоростной автономной навигации от лабораторных исследований к реальным приложениям, хотя и не совершенным, исследователи надеются, что Super откроет новые возможности в будущих сценариях реального мира, таких как автономное картирование инспекций доставки и поисково-спасательные миссии