مهندسان در دانشگاه هنگ کنگ یک ربات هوایی پیشرفته، شبیه به پهپاد، طراحی کرده‌اند که برای ناوبری با سرعت بالا در محیط‌های ناشناخته طراحی شده است.
برخلاف تلاش‌های قبلی که با اجتناب از موانع در زمان واقعی با سرعت‌های بالا دست و پنجه نرم می‌کردند، مدل SUPER یک سیستم ادراک پیشرفته و الگوریتم‌های کنترل مبتنی بر هوش مصنوعی را ادغام می‌کند.
SUPER دارای یک سنسور لیدار سه بعدی سبک برای تشخیص دقیق و دوربرد موانع است. برای فعال کردن پرواز ایمن با سرعت بالا، از یک چارچوب برنامه‌ریزی کارآمد استفاده می‌کند که مسیرها را مستقیماً از ابرهای نقطه‌ای لیدار تولید می‌کند.
به گفته این تیم، هر چرخه برنامه ریزی مجدد دو مسیر ایجاد کرد: یکی برای ایمنی در فضاهای آزاد شناخته شده و دیگری برای سرعت در همه فضاها. این رویکرد نرخ شکست را 35.9 برابر کاهش داد، زمان برنامه‌ریزی را به نصف کاهش داد و SUPER را قادر ساخت تا با سرعت بیش از 20 متر بر ثانیه پرواز کند و در عین حال از موانع نازک و فضاهای تنگ اجتناب کند.
محققان در چکیده این مطالعه گفتند: «SUPER نشان دهنده نقطه عطفی در سیستم‌های خودکار MAV (وسیله نقلیه هوایی میکرو) است که شکاف بین تحقیقات آزمایشگاهی تا کاربردهای دنیای واقعی را پر می‌کند.»
ناوبری چابک MAV
پرندگان در پرواز با سرعت بالا در فضاهای پر ازدحام با حداقل شکست عالی هستند. هدف MAVها تکرار این چابکی برای کاربردهای دنیای واقعی مانند جستجو و نجات است. دستیابی به پرواز ایمن و پرسرعت در محیط‌های ناشناخته نیازمند تعادل بین چابکی، سنجش برد بلند و برنامه‌ریزی کارآمد مسیر با استفاده از پردازش درون‌برد است.
چندین پروژه تحقیقاتی بر روی سرعت با استفاده از مسیرهای از پیش محاسبه شده یا یادگیری تقویتی متمرکز شده اند، اما اغلب به محیط های از پیش تعریف شده یا سنجش 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 مکان‌های ناشناخته، برخی افراد ایمنی را در اولویت قرار می‌دهند. محققان در دانشگاه هنگ کنگ دریافتند که یک تکنیک دو مسیره شامل تاخیرهای محاسباتی است اما سرعت را در عین حفظ ایمنی افزایش می‌دهد.
اکثر MAVها برای ناوبری از سنسورهای بینایی 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 تکنیک های قبلی، با استفاده از لیدار سه بعدی سبک برای تشخیص برد بلند و یک سیستم برنامه ریزی موثر، پرواز ایمن و پرسرعت را تضمین می کند.
بر اساس آزمایشات، SUPER می تواند با سرعت 20 متر بر ثانیه در یک مسیر مانع بدون حادثه پرواز کند. همانطور که این تیم تحقیقاتی در جنگل حرکت می کرد، متوجه شدند که می تواند با موفقیت از درختان، شاخه ها و سایر موانع اجتناب کند و در عین حال هدفی مانند انسان را دنبال کند. آنها همچنین کشف کردند که می تواند در نور کم کار کند زیرا بر اساس لیدار است.
خودمختاری کارآمد پهپاد
SUPER از لیدار سه بعدی برای ناوبری وسایل نقلیه هوایی میکرو با سرعت بالا استفاده می کند و از سیستم های مبتنی بر بینایی از نظر برد، دقت و قابلیت اطمینان در شرایط کم نور عملکرد بهتری دارد. وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین مجهز به لیدار سنتی به دلیل سنسورهای حجیم و پرهزینه بزرگ، سنگین و کند بودند.
ربات هوایی با استفاده از طراحی فشرده و نسبت رانش به وزن بالا با یک Livox MID360 LIiDAR سبک بر این مسائل غلبه می کند.
برخلاف روش‌های قبلی که به نقشه‌های شبکه اشغال محاسباتی گران قیمت متکی بودند، SUPER به طور موثر ابرهای نقطه ای لیدار را برای تشخیص فضاهای آزاد پردازش می کند و زمان نقشه برداری را به یک تا پنج میلی ثانیه کاهش می دهد.
همچنین برنامه ریزی مسیر را با استفاده از روش های مبتنی بر گرادیان به جای برنامه ریزی درجه دوم عدد 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 اودومتری اینرسی لیدار داخلی، به طور مستقل در محیط‌های محروم از سیستم ماهواره‌ای ناوبری جهانی کار می‌کند و آن را برای کاربردهای دنیای واقعی مناسب می‌سازد. این پیشرفت‌ها به SUPER اجازه می‌دهد تا در سرعت، کارایی و سازگاری از وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین مبتنی بر لیدار قبلی پیشی بگیرد.
با اشاره به پیشرفت‌های آینده، محققان تاکید می‌کنند که سنسورهای لیدار کوچک‌تر و سبک‌تر با بردهای طولانی‌تر می‌توانند چابکی، سرعت و توانایی SUPER را برای حرکت در فضاهای محدود افزایش دهند. بهبود آیرودینامیک و پیش بینی حرکت بیشتر باعث افزایش راندمان خواهد شد.
این تیم معتقد است که با تقاضای محاسباتی کم و ایمنی با سرعت بالا، SUPER برای اکتشاف، لجستیک، بازرسی و عملیات جستجو و نجات در محیط های متنوع و بدون ساختار ایده آل است.
جزئیات مطالعه این تیم در مجله Science Robotics منتشر شده است.