مهندسان در دانشگاه هنگ کنگ یک ربات هوایی پیشرفته، شبیه به یک پهپاد، طراحی کرده اند که برای ناوبری با سرعت بالا در محیط های ناشناخته طراحی شده است.
برخلاف تلاش های قبلی، که با اجتناب از موانع در زمان واقعی با سرعت های بالا دست و پنجه نرم می کردند، مدل SUPER یک سیستم ادراک پیشرفته و الگوریتم های کنترل مبتنی بر هوش مصنوعی را ادغام می کند.
SUPER دارای یک سنسور لیدار سه بعدی سبک وزن برای تشخیص دقیق و دوربرد موانع است. برای فعال کردن پرواز ایمن و پرسرعت، از یک چارچوب برنامه ریزی کارآمد استفاده می کند که مسیرها را مستقیماً از ابرهای نقطه ای لیدار تولید می کند.
به گفته این تیم، هر چرخه برنامه ریزی مجدد دو مسیر را ایجاد می کند: یکی برای ایمنی در فضاهای آزاد شناخته شده و دیگری برای سرعت در همه فضاها. این رویکرد نرخ خرابی را 35.9 برابر کاهش داد، زمان برنامه ریزی را به نصف کاهش داد و SUPER را قادر ساخت تا با سرعت بیش از 20 متر بر ثانیه پرواز کند در حالی که از موانع نازک و فضاهای تنگ اجتناب می کند.
محققان در خلاصه مطالعه گفتند: "SUPER نشان دهنده یک نقطه عطف در سیستم های خودکار MAV (وسیله نقلیه هوایی میکرو) است و شکاف بین تحقیقات آزمایشگاهی و کاربردهای دنیای واقعی را پر می کند."
ناوبری چابک MAV
پرندگان در پرواز با سرعت بالا در فضاهای درهم و برهم با حداقل خرابی عالی هستند. هدف MAV ها تکرار این چابکی برای کاربردهای دنیای واقعی مانند جستجو و نجات است. دستیابی به پرواز ایمن و پرسرعت در محیط های ناشناخته نیازمند تعادل بین چابکی، حسگر دوربرد و برنامه ریزی کارآمد مسیر با استفاده از پردازش داخلی است.
چندین پروژه تحقیقاتی بر روی سرعت با استفاده از مسیرهای از پیش محاسبه شده یا یادگیری تقویتی متمرکز شده اند، اما آنها اغلب به محیط های از پیش تعریف شده یا حسگرهای خارجی متکی هستند که کاربرد عملی آنها را محدود می کند.
با محدود کردن پرواز به مناطق آزاد شناخته شده یا کاهش سرعت در نزدیکی مکان های ناشناخته، برخی افراد ایمنی را در اولویت قرار می دهند. محققان دانشگاه هنگ کنگ دریافتند که یک تکنیک دو مسیره شامل تاخیرهای محاسباتی است اما سرعت را در عین حفظ ایمنی افزایش می دهد.
اکثر MAVها از حسگرهای بینایی برای ناوبری استفاده می کنند. با این حال، اینها مستعد تاری حرکت هستند، برد کوتاهی دارند و در نور کم مشکل دارند. SUPER با فراتر رفتن از تکنیک‌های قبلی، با استفاده از لیدار سه بعدی سبک وزن برای تشخیص دوربرد و یک سیستم برنامه‌ریزی مؤثر، پرواز ایمن و پرسرعت را تضمین می‌کند.
بر اساس آزمایشات، SUPER می تواند با سرعت 20 متر در ثانیه در یک مسیر مانع بدون حادثه پرواز کند. همانطور که در یک جنگل حرکت می کرد، تیم تحقیقاتی دریافتند که می تواند با موفقیت از درختان، شاخه ها و سایر موانع در حین دنبال کردن یک هدف، مانند یک انسان، اجتناب کند. آنها همچنین دریافتند که می تواند در نور کم کار کند زیرا بر اساس LiDAR است.
استقلال کارآمد پهپاد
SUPER از لیدار سه بعدی برای ناوبری با سرعت بالا وسیله نقلیه هوایی میکرو استفاده می کند و از سیستم های مبتنی بر بینایی در برد، دقت و قابلیت اطمینان در شرایط کم نور بهتر عمل می کند. وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین مجهز به لیدار سنتی به دلیل حسگرهای حجیم و گران قیمت، بزرگ، سنگین و کند بودند.
این ربات هوایی با استفاده از یک طراحی فشرده با نسبت رانش به وزن بالا با یک Livox MID360 LIiDAR سبک وزن بر این مشکلات غلبه می کند.
برخلاف روش‌های قبلی که به نقشه‌های شبکه اشغال محاسباتی گران قیمت متکی بودند، SUPER به طور مؤثری ابرهای نقطه‌ای LiDAR را برای تشخیص فضاهای آزاد پردازش می‌کند و زمان نقشه‌برداری را به یک تا پنج میلی‌ثانیه کاهش می‌دهد.
همچنین برنامه ریزی مسیر را با استفاده از روش های مبتنی بر گرادیان به جای برنامه نویسی درجه دوم اعداد صحیح مختلط آهسته بهینه می کند و به نرخ موفقیت بالاتری دست می یابد. رویکرد دو مسیره SUPER با حفظ یک مسیر پشتیبان در حین بهینه سازی زمان های سوئیچینگ به صورت پویا، ایمنی را افزایش می دهد.
SUPER با استفاده از odometry اینرسی-لیدار داخلی، به طور مستقل در محیط های فاقد سیستم ماهواره ای ناوبری جهانی عمل می کند و آن را برای کاربردهای دنیای واقعی مناسب می کند. این پیشرفت‌ها به SUPER اجازه می‌دهد تا از وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین مبتنی بر LiDAR قبلی در سرعت، کارایی و سازگاری فراتر رود.
محققان با اشاره به پیشرفت‌های آتی، تاکید می‌کنند که حسگرهای LiDAR کوچک‌تر و سبک‌تر با بردهای بیشتر می‌توانند چابکی، سرعت و توانایی SUPER را برای حرکت در فضاهای محدود افزایش دهند. بهبود آیرودینامیک و پیش بینی حرکت بیشتر باعث افزایش کارایی می شود.
این تیم معتقد است که SUPER با تقاضای محاسباتی کم و ایمنی با سرعت بالا، برای اکتشاف، تدارکات، بازرسی و عملیات جستجو و نجات در محیط های متنوع و بدون ساختار ایده آل است.
جزئیات مطالعه تیم در مجله Science Robotics منتشر شده است.