Team bruger biomimik af flagermus til at hjælpe droner med at navigere i mørket, støv eller røg

For at få droner til at flyve rundt om komplicerede forhindringer i mørket af sig selv, University of Cincinnati forskere vender sig til de professionelle.

Flagermus har udviklet sig til at bruge lyd og ekkolokalisering til at navigere og finde føde. Deres ekkolod er så ivrig, faktisk, at nektarelskende flagermus kan "spotte" deres yndlingsblomster i buldermørke udelukkende ved brug af lyd.

Nu udnytter forskere fra UC's College of Engineering and Applied Science denne supermagt til at forbedre dronenavigation og autonomi.

Droner kan styres manuelt ved hjælp af sigtelinje, videokameraer, globale positioneringssatellitter og laserbaseret radar kaldet LIDAR. UC har i årevis udviklet autonome droner, der er afhængige af fuzzy logik og andre former for kunstig intelligens.

Men det seneste UC-droneprojekt tilføjer endnu et navigationslag:lyd. UC-professor og flagermusekspert Dieter Vanderelst ønsker at give droner af enhver art den ekstra evne til at observere og undgå forhindringer med ekkolokalisering.

Forskere sagde, at dette er særligt nyttigt i situationer, hvor LIDAR og satellitsystemer er mindre pålidelige, såsom røgfyldte eller støvede forhold i bygninger eller tunneler.

"Problemet er udfordrende, fordi inde i en bygning, du har forhindringer i et meget rodet miljø, " sagde Manish Kumar, UC lektor i rumfartsteknik. "Det ubemandede luftfartøj kan navigere i røgfyldte eller støvede forhold ved hjælp af sonar."

Vanderelst er unikt kvalificeret til at løse dette problem. Han tog hovedfag i biologi og studerede flagermus, og hvordan de navigerer i Israels klippefyldte Negev-ørken. Han deler sin tid mellem ingeniørhøjskolen og psykologi- og biologiafdelingerne på UC's McMicken College of Arts and Sciences.

"Der er hundredvis af arter af flagermus, og de har alle meget forskellige kald ved forskellige frekvenser, " sagde Vanderelst.

Bladnæsede flagermus bruger deres ulige vedhæng til at forstærke og fokusere lyd med en konstant frekvens. Andre flagermus skaber en symfoni af snakkende, som sætter dem i stand til at finde frugt eller blomster ved lyd.

"Intuitivt skulle man tro, at en blomst er nem at finde, fordi den er farverig og skiller sig ud fra skovens grønne. Men farve betyder ikke noget om natten, " sagde Vanderelst. "Deres evne til at scanne bladene for at finde blomster er enten utrolig, eller også mangler vi bare noget, der gør det nemt. Vi ser måske på det fra et forkert synspunkt."

Mens vores kikkertsyn giver os en 210-graders panoramaudsigt, Vanderelst sagde, at flagermus har et meget smallere detektionsfelt ved hjælp af en lydstråle, der spænder over mindre end 60 grader.

"Det er som om de vifter med en lommelygte foran sig for at finde bytte i mørket, " sagde Vanderelst.

Flagermus er eksperter i det. Udover at fange mad i farten, flagermus kan finde insekter og frøer, der gemmer sig ubevægelige på blade.

For at forstå, hvordan han kan oversætte flagermusfærdigheder til en computerdrone, Vanderelst startede i sit UC-laboratorium. Han byggede en robot.

"Jeg er interesseret i at se på, hvordan flagermus aktivt bruger sonar til at komme rundt i verden, " sagde Vanderelst. "Jeg håber at overbevise folk om, at vi kan bruge ekkolokalisering på meget små droner."

Vanderelst designede sit sensorsystem ved at tage stikord fra naturen. Først, han brugte en 3-D-printer til at gengive hovederne af små bladnæsede flagermus som en referencevejledning. Hans robots mikrofoner efterligner formen og konturen af ​​flagermusører, placeret lidt forskudt på robotrammen på samme måde som en krudtugles ører er asymmetriske på kraniet. Dette hjælper nattejægerne med at komme ind på bytte i fuldstændig mørke ved at bruge lyd alene.

På størrelse med en Yorkshire terrier, den røde trehjulede robot har en række ultralydshøjttalere og mikrofoner, der kan udsende toner eller pulser af lyd og sensorer til at registrere refleksionen eller ekkoet. Ligesom ingen to fuglearter lyder ens, flagermus laver også kvidren af ​​unikke frekvenser og varighed.

Robottens flagermus-lignende bip spænder fra 25 til 75 kilohertz, men Vanderelst sagde 50 er det søde sted. For at fange flagermusens ekkolokaliseringsevne, en drone skal være næsten lige så akrobatisk.

"En flagermus drejer hovedet først for at se, hvor den vil flyve, og dens krop følger efter, " sagde Vanderelst. "Flagermus ændrer konstant fokus på det, de ser på, så min robot skal kunne styre, hvor den kigger, så den kan gøre det samme."

Vanderelst sagde, at de erfaringer, han lærer, at få en robot til at navigere uafhængigt i to dimensioner på jorden, vil oversætte til en drone, der opererer i tredimensionelt rum. Han forestiller sig en drone, der spænder sine "ører" uafhængigt af hinanden for at navigere med præcision i snævre rammer, som flagermus gør.

"At flyve en drone er en yderst teknisk færdighed. Operatøren skal koncentrere sig meget hårdt for ikke at støde ind i noget, " sagde Vanderelst. "Og hvis dronens kameraer fejler, fordi det er mørkt eller støvet, det ville være fantastisk at have en autopilot, der styrer dig væk fra forhindringer ved hjælp af ekkolokalisering."

Projektet fangede opmærksomheden fra det amerikanske departement for indenrigssikkerhed, som er interesseret i at udforske applikationer, UC's Kumar sagde.

Kumar forestiller sig en drone, der kan flyve autonomt ind i et ukendt område, mens den scanner og kortlægger 3D-rummets grænser til brug for fjerne menneskelige observatører. Dette ville være værdifuldt for SWAT-hold eller redningsarbejdere i situationer, hvor det kan bringe liv i fare, hvis man sender en person ind for at spejde et sted.

"Det er her Dieters flagermus-inspirerede drone vil hjælpe os, " sagde Kumar.