Systemet forhindrer hurtige droner i at styrte ned i ukendte områder

Autonome droner er forsigtige, når de navigerer i det ukendte. De kryber frem, kortlægger ofte ukendte områder, før de fortsætter, så de ikke styrter ind i uopdagede objekter. Men denne afmatning er ikke ideel til droner, der udfører tidfølsomme opgaver, såsom at flyve eftersøgnings-og-redningsmissioner gennem tætte skove.

Nu har MIT-forskere udviklet en baneplanlægningsmodel, der hjælper droner med at flyve med høje hastigheder gennem tidligere uudforskede områder, mens du er i sikkerhed.

Modellen - passende navn "HURTIGER" - estimerer den hurtigst mulige vej fra et startpunkt til et destinationspunkt på tværs af alle områder, dronen kan og ikke kan se, uden hensyntagen til sikkerheden. Men, som dronen flyver, modellen logger løbende kollisionsfrie "back-up" stier, der afviger lidt fra den hurtige flyvesti. Når dronen er usikker på et bestemt område, den går omveje ned af back-up-stien og omlægger sin vej. Dronen kan således cruise ved høje hastigheder langs den hurtigste bane, mens den lejlighedsvis bremser lidt for at sikre sikkerheden.

"Vi ønsker altid at køre den hurtigste vej, men vi ved ikke altid, at det er sikkert. Hvis, når vi bevæger os langs denne hurtigste vej, vi opdager, at der er et problem, vi skal have en backup plan, "siger Jesus Tordesillas, en kandidatstuderende i Institut for Luftfart og Astronautik (AeroAstro) og førsteforfatter på et papir, der beskriver modellen, der præsenteres på næste måneds internationale konference om intelligente robotter og systemer. "Vi opnår en bane med højere hastighed, der muligvis ikke er sikker, og en bane med langsom hastighed, der er helt sikker. De to stier er syet sammen i starten, men så afviger den ene for ydelse og den anden for sikkerhed. "

I skovsimuleringer, hvor en virtuel drone navigerer rundt i cylindre, der repræsenterer træer, HURTIGERE drevne droner gennemførte flyveveje sikkert to gange hurtigere end traditionelle modeller. I virkelige tests, HURTIGERE droner, der manøvrerede rundt i papkasser i et stort rum, opnåede hastigheder på 7,8 meter i sekundet. Det skubber grænser for, hvor hurtigt dronerne kan flyve, baseret på vægt og reaktionstider, siger forskerne.

"Det er omtrent så hurtigt som du kan gå, "siger medforfatter Jonathan How, Richard Cockburn Maclaurin professor i luftfart og astronautik. "Hvis du stod i et værelse med en drone flyvende syv til otte meter i sekundet i det, du ville sandsynligvis tage et skridt tilbage. "

Avisens anden medforfatter er Brett T. Lopez, en tidligere ph.d. studerende i AeroAstro og nu postdoc på NASAs Jet Propulsion Laboratory.

Opdeling af stier

Droner bruger kameraer til at fange miljø som voxels, 3D-terninger genereret ud fra dybdeinformation. Mens dronen flyver, hver detekteret voxel bliver mærket som "frit kendt rum, "ubeboet af genstande, og "optaget kendt plads, "som indeholder objekter. Resten af ​​miljøet er" ukendt rum. "

HURTIGER udnytter alle disse områder til at planlægge tre typer baner - "hele, " "sikker, "og" engageret. "Hele banen er hele vejen fra startpunkt A til målplacering B, gennem kendte og ukendte områder. For at gøre det, "konveks nedbrydning, "en teknik, der nedbryder komplekse modeller til diskrete komponenter, genererer overlappende polyeder, der modellerer de tre områder i et miljø. Ved at bruge nogle geometriske teknikker og matematiske begrænsninger, modellen bruger disse polyeder til at beregne en optimal hel bane.

Samtidigt, modellen planlægger en sikker bane. Et sted langs hele banen, det tegner et "rednings" -punkt, der angiver det sidste øjeblik, en drone kan afstikke til uhindret frit kendt rum, baseret på dens hastighed og andre faktorer. For at finde en sikker destination, den beregner nye polyeder, der dækker det frit kendte rum. Derefter, den finder et sted inde i disse nye polyeder. I bund og grund, dronen stopper på et sted, der er sikkert, men så tæt som muligt på ukendt rum, muliggør en meget hurtig og effektiv omvej.

Engageret bane

Den forpligtede bane består af det første interval af hele banen, samt hele den sikre bane. Men dette første interval er uafhængigt af den sikre bane, og derfor er den ikke påvirket af den nødvendige opbremsning for den sikre bane.

Dronen beregner en hel bane ad gangen, samtidig med at man altid holder styr på den sikre bane. Men den har en tidsbegrænsning:Når den når redningsstedet, det må have med succes beregnet den næste hele bane gennem kendt eller ukendt rum. Hvis det gør det, den vil fortsætte med at følge hele banen. Ellers, det afviger til den sikre bane. Denne tilgang gør dronen i stand til at opretholde høje hastigheder langs de begåede baner, hvilket er nøglen til at opnå høje samlede hastigheder.

For dette til alt arbejde, forskerne designede måder, hvorpå dronerne kunne behandle alle planlægningsdata meget hurtigt, hvilket var udfordrende. Fordi kortene er så forskellige, for eksempel, tidsfristen for hver begået bane varierede i første omgang dramatisk. Det var beregningsmæssigt dyrt og bremsede dronens planlægning, så forskerne udviklede en metode til hurtigt at beregne faste tider for alle intervaller langs banerne, hvilket forenklede beregninger. Forskerne designet også metoder til at reducere, hvor mange polyeder dronen skal behandle for at kortlægge sine omgivelser. Begge disse metoder øgede planlægningstiderne dramatisk.

"Hvordan man øger flyvehastigheden og opretholder sikkerheden er et af de sværeste problemer for drones bevægelsesplanlægning, " siger Sikang Liu, en softwareingeniør hos Waymo, tidligere Googles selvkørende bilprojekt, og en ekspert i baneplanlægningsalgoritmer. "Dette arbejde viste en god løsning på dette problem ved at forbedre den eksisterende ramme for generering af baner. I rørledningens optimering af banen, tidsfordelingen er altid et vanskeligt problem, der kan føre til konvergensproblem og uønsket adfærd. Dette papir behandlede dette problem gennem en ny tilgang ... som kunne være et indsigtsfuldt bidrag til dette felt."

Forskerne bygger i øjeblikket større HURTIGERE droner med propeller designet til at muliggøre stabil vandret flyvning. Traditionelt set droner bliver nødt til at rulle og pitche, mens de flyver. Men denne brugerdefinerede drone ville forblive helt flad til forskellige applikationer.

En potentiel ansøgning om HURTIGER, som er udviklet med støtte fra det amerikanske forsvarsministerium, kunne forbedre eftersøgnings- og redningsmissioner i skovmiljøer, som byder på mange planlægnings- og navigationsudfordringer for autonome droner. "Men det ukendte område behøver ikke at være skov, " siger How. "Det kan være et hvilket som helst område, hvor du ikke ved, hvad der kommer, og det er vigtigt, hvor hurtigt du får den viden. Hovedmotiveringen er at bygge mere smidige droner. "

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.