Flåder af droner kan hjælpe med at søge efter tabte vandrere

At finde tabte vandrere i skove kan være en vanskelig og langvarig proces, som helikoptere og droner ikke kan få et glimt gennem den tykke træbaldakin. For nylig, det er blevet foreslået, at autonome droner, som kan bobbe og væve gennem træer, kunne hjælpe disse søgninger. Men de GPS -signaler, der bruges til at styre flyet, kan være upålidelige eller ikke -eksisterende i skovmiljøer.

I et papir, der blev præsenteret på International Symposium on Experimental Robotics -konferencen i næste uge, MIT -forskere beskriver et autonomt system for en flåde af droner til i fællesskab at søge under tætte skovbaldakiner. Dronerne bruger kun indbygget beregning og trådløs kommunikation - ingen GPS påkrævet.

Hver autonome quadrotor-drone er udstyret med laser-afstandsmålere til positionsestimering, lokalisering, og stiplanlægning. Da dronen flyver rundt, det skaber et individuelt 3D-kort over terrænet. Algoritmer hjælper den med at genkende uudforskede og allerede søgte pletter, så det ved, hvornår det er fuldt kortlagt et område. En station uden for land smelter individuelle kort fra flere droner til et globalt 3D-kort, der kan overvåges af menneskelige reddere.

I en virkelig implementering, dog ikke i det nuværende system, dronerne ville være udstyret med objektdetektion for at identificere en savnet vandrer. Når den er placeret, dronen ville mærke vandrernes placering på det globale kort. Mennesker kunne derefter bruge disse oplysninger til at planlægge en redningsaktion.

"Grundlæggende, vi erstatter mennesker med en flåde af droner for at gøre søgningsdelen af ​​søge-og-redningsprocessen mere effektiv, "siger første forfatter Yulun Tian, en kandidatstuderende i Institut for Luftfart og Astronautik (AeroAstro).

Forskerne testede flere droner i simuleringer af tilfældigt genererede skove, og testede to droner i et skovområde inden for NASAs Langley Research Center. I begge forsøg, hver drone kortlagde et cirka 20 kvadratmeter stort område på cirka to til fem minutter og smeltede deres kort sammen i realtid. Dronerne klarede sig også godt på tværs af flere metrics, herunder samlet hastighed og tid til at fuldføre missionen, påvisning af skovtræk, og nøjagtig sammenlægning af kort.

Udforskning og kortlægning

På hver drone, forskerne monterede et LIDAR -system, som skaber en 2-D-scanning af de omkringliggende forhindringer ved at skyde laserstråler og måle de reflekterede impulser. Dette kan bruges til at opdage træer; imidlertid, til droner, enkelte træer fremstår bemærkelsesværdigt ens. Hvis en drone ikke kan genkende et givet træ, den kan ikke afgøre, om den allerede har udforsket et område.

Forskerne programmerede deres droner til i stedet at identificere flere træers retning, som er langt mere markant. Med denne metode, når LIDAR -signalet returnerer en klynge af træer, en algoritme beregner vinkler og afstande mellem træer for at identificere denne klynge. "Droner kan bruge det som en unik signatur til at fortælle, om de har besøgt dette område før, eller om det er et nyt område, "Siger Tian.

Denne funktionsdetekteringsteknik hjælper jordstationen præcist med at flette kort. Dronerne udforsker generelt et område i sløjfer, producere scanninger, mens de går. Jordstationen overvåger kontinuerligt scanningerne. Når to droner går rundt til den samme klynge af træer, jordstationen fusionerer kortene ved at beregne den relative transformation mellem dronerne, og derefter sammensmeltning af de enkelte kort for at opretholde konsistente orienteringer.

"Beregning af den relative transformation fortæller dig, hvordan du skal justere de to kort, så det svarer til præcis, hvordan skoven ser ud, "Siger Tian.

I jordstationen, robotnavigationssoftware kaldet "simultan lokalisering og kortlægning" (SLAM) - som både kortlægger et ukendt område og holder styr på en agent inde i området - bruger LIDAR -input til at lokalisere og fange dronernes position. Dette hjælper det med at smelte kortene præcist.

Slutresultatet er et kort med 3D-terrænfunktioner. Træer fremstår som blokke af farvede nuancer af blå til grøn, afhængig af højden. Uudforskede områder er mørke, men bliver grå, da de er kortlagt af en drone. Indbygget sti-planlægningssoftware fortæller en drone til altid at udforske disse mørke uudforskede områder, mens den flyver rundt. Fremstilling af et 3D-kort er mere pålideligt end blot at tilslutte et kamera til en drone og overvåge videofeedet, Siger Tian. Overførsel af video til en centralstation, for eksempel, kræver meget båndbredde, der muligvis ikke er tilgængelig i skovområder.

Mere effektiv søgning

En vigtig innovation er en ny søgestrategi, der lader dronerne mere effektivt udforske et område. Ifølge en mere traditionel tilgang, en drone ville altid søge i det nærmeste mulige ukendte område. Imidlertid, det kunne være i et vilkårligt antal retninger fra dronens nuværende position. Dronen flyver normalt et kort stykke, og stopper derefter for at vælge en ny retning.

"Det respekterer ikke dynamikken i drone [bevægelse], "Siger Tian." Det skal stoppe og vende, så det betyder, at det er meget ineffektivt med hensyn til tid og energi, og du kan ikke rigtig få fart. "

I stedet, forskernes droner udforsker det nærmeste område, mens de overvejer deres hastighed og retning og opretholder en ensartet hastighed. Denne strategi - hvor dronen har en tendens til at rejse i et spiralmønster - dækker et søgeområde meget hurtigere. "I eftersøgnings- og redningsmissioner tiden er meget vigtig, "Siger Tian.

I avisen, forskerne sammenlignede deres nye søgestrategi med en traditionel metode. Sammenlignet med denne baseline, forskernes strategi hjalp dronerne med at dække betydeligt mere område, flere minutter hurtigere og med højere gennemsnitshastigheder.

En begrænsning for praktisk brug er, at dronerne stadig skal kommunikere med en off-board jordstation for kortfusion. I deres udendørs eksperiment, forskerne skulle oprette en trådløs router, der forbandt hver drone og jordstationen. I fremtiden, de håber at designe dronerne til at kommunikere trådløst, når de nærmer sig hinanden, sammensmelt deres kort, og derefter afbryde kommunikationen, når de adskilles. Jordstationen, i det tilfælde, ville kun blive brugt til at overvåge det opdaterede globale kort.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.