Odnajdywanie zagubionych turystów w lasach może być trudnym i długotrwałym procesem, ponieważ helikoptery i drony nie mogą rzucić okiem przez gęsty baldachim drzew. Niedawno, zaproponowano autonomiczne drony, które mogą podskakiwać i przedzierać się przez drzewa, może pomóc w tych poszukiwaniach. Ale sygnały GPS używane do kierowania samolotem mogą być zawodne lub nieobecne w środowisku leśnym. W artykule prezentowanym na konferencji International Symposium on Experimental Robotics w przyszłym tygodniu, Badacze z MIT opisują autonomiczny system dla floty dronów do wspólnego przeszukiwania gęstych lasów. Drony wykorzystują tylko pokładowe obliczenia i komunikację bezprzewodową – GPS nie jest wymagany.

Badacze z MIT opisują autonomiczny system dla floty dronów do wspólnego przeszukiwania gęstych lasów przy użyciu tylko pokładowych obliczeń i komunikacji bezprzewodowej — GPS nie jest wymagany.

Obrazy: Melanie Goniec

Każdy autonomiczny dron quadrotor jest wyposażony w dalmierze laserowe do szacowania pozycji, Lokalizacja, i planowania tras. Gdy dron leci dookoła, tworzy indywidualną trójwymiarową mapę terenu. Algorytmy pomagają mu rozpoznawać niezbadane i już przeszukane miejsca, więc wie, kiedy jest w pełni zmapowany obszar. Zewnętrzna stacja naziemna łączy poszczególne mapy z wielu dronów w globalną mapę 3D, którą mogą monitorować ratownicy.

W rzeczywistej implementacji, choć nie w obecnym systemie, drony byłyby wyposażone w wykrywanie obiektów w celu zidentyfikowania zaginionego turysty. Kiedy znajduje się, dron oznaczyłby lokalizację turysty na mapie globalnej. Ludzie mogliby następnie wykorzystać te informacje do zaplanowania misji ratunkowej.

"Głównie, zastępujemy ludzi flotą dronów, aby uczynić część poszukiwawczą procesu poszukiwawczo-ratowniczego bardziej wydajną,” mówi pierwszy autor Yulun Tian, doktorant na Wydziale Lotnictwa i Astronautyki (AeroAstro).

Naukowcy przetestowali wiele dronów w symulacjach losowo generowanych lasów, i przetestował dwa drony na zalesionym obszarze w Langley Research Center NASA. W obu eksperymentach, każdy dron zmapował obszar o powierzchni około 20 metrów kwadratowych w ciągu około dwóch do pięciu minut i wspólnie połączył swoje mapy w czasie rzeczywistym. Drony radziły sobie również dobrze w kilku parametrach, w tym ogólną prędkość i czas do ukończenia misji, wykrywanie cech lasu, i dokładne łączenie map.

Współautorami pracy są: Katarzyna Liu, doktorant w Laboratorium Informatyki i Sztucznej Inteligencji MIT (CSAIL) i AeroAstro; Kij Ok, doktorant w CSAIL i Katedrze Elektrotechniki i Informatyki; Loc Tran i Danette Allen z NASA Langley Research Center; Mikołaj Roj, profesor AeroAstro i badacz CSAIL; i Jonathana P. W jaki sposób, Richard Cockburn Maclaurin profesor aeronautyki i astronautyki.

Eksploracja i mapowanie

Na każdym dronie, naukowcy zamontowali system LIDAR, który tworzy dwuwymiarowy skan otaczających przeszkód, strzelając wiązkami laserowymi i mierząc odbite impulsy. Można to wykorzystać do wykrywania drzew; Jednakże, do dronów, poszczególne drzewa wydają się niezwykle podobne. Jeśli dron nie rozpoznaje danego drzewa, nie może określić, czy obszar został już zbadany.

Naukowcy zaprogramowali swoje drony, aby zamiast tego identyfikowały orientacje wielu drzew, co jest o wiele bardziej charakterystyczne. Z tą metodą, gdy sygnał LIDAR zwraca skupisko drzew, algorytm oblicza kąty i odległości między drzewami, aby zidentyfikować to skupisko. „Drony mogą użyć tego jako unikalnego podpisu, aby stwierdzić, czy odwiedziły ten obszar wcześniej, czy też jest to nowy obszar,– mówi Tian.

Ta technika wykrywania obiektów pomaga stacji naziemnej dokładnie łączyć mapy. Drony zazwyczaj badają obszar w pętli, tworzenie skanów na bieżąco. Stacja naziemna stale monitoruje skany. Kiedy dwa drony okrążają to samo skupisko drzew, stacja naziemna łączy mapy, obliczając względną transformację między dronami, a następnie łączenie poszczególnych map w celu zachowania spójnych orientacji.

„Obliczenie tej względnej transformacji mówi ci, jak wyrównać dwie mapy, aby dokładnie odpowiadały temu, jak wygląda las,– mówi Tian.

W stacji naziemnej, oprogramowanie nawigacyjne dla robotów o nazwie „jednoczesna lokalizacja i mapowanie” (ZATRZASNĄĆ) — który zarówno mapuje nieznany obszar, jak i śledzi agenta w tym obszarze — wykorzystuje wejście LIDAR do lokalizacji i przechwytywania pozycji dronów. Pomaga to dokładnie połączyć mapy.

Efektem końcowym jest mapa z elementami terenu 3D. Drzewa pojawiają się jako bloki kolorowych odcieni od niebieskiego do zielonego, w zależności od wzrostu. Niezbadane obszary są ciemne, ale stają się szare, gdy są mapowane przez drona. Pokładowe oprogramowanie do planowania ścieżki mówi dronowi, aby zawsze badał te ciemne, niezbadane obszary podczas lotu. Tworzenie trójwymiarowej mapy jest bardziej niezawodne niż zwykłe podłączenie kamery do drona i monitorowanie strumienia wideo, mówi Tian. Transmisja wideo do centrali, na przykład, wymaga dużej przepustowości, która może nie być dostępna na obszarach zalesionych.

Wydajniejsze wyszukiwanie

Kluczową innowacją jest nowatorska strategia wyszukiwania, która pozwala dronom skuteczniej eksplorować dany obszar. Według bardziej tradycyjnego podejścia, dron zawsze przeszukiwał najbliższy możliwy nieznany obszar. Jednakże, który może znajdować się w dowolnej liczbie kierunków od aktualnej pozycji drona. Dron zwykle leci na niewielką odległość, a następnie zatrzymuje się, aby wybrać nowy kierunek.

„To nie szanuje dynamiki drona [ruch],– mówi Tian. „Musi się zatrzymać i zawrócić, co oznacza, że ​​jest bardzo nieefektywne pod względem czasu i energii, i tak naprawdę nie możesz przyspieszyć.

Zamiast, drony naukowców badają najbliższy możliwy obszar, biorąc pod uwagę ich obecny kierunek. Uważają, że może to pomóc dronom utrzymać bardziej stałą prędkość. Ta strategia – w której dron ma tendencję do poruszania się po spirali – obejmuje obszar wyszukiwania znacznie szybciej. „W misjach poszukiwawczo-ratowniczych, czas jest bardzo ważny,– mówi Tian.

Na papierze, naukowcy porównali swoją nową strategię wyszukiwania z tradycyjną metodą. W porównaniu z tą bazą, strategia naukowców pomogła dronom pokryć znacznie większy obszar, kilka minut szybciej i przy wyższych średnich prędkościach.

Jednym z ograniczeń praktycznego zastosowania jest to, że drony nadal muszą komunikować się z zewnętrzną stacją naziemną w celu łączenia map. W ich eksperymencie na świeżym powietrzu, naukowcy musieli skonfigurować router bezprzewodowy, który łączył każdy dron i stację naziemną. W przyszłości, mają nadzieję zaprojektować drony tak, aby komunikowały się bezprzewodowo, gdy zbliżają się do siebie, połączyć ich mapy, a następnie przerwać komunikację, gdy się rozdzielą. Stacja naziemna, w tym wypadku, byłby używany tylko do monitorowania zaktualizowanej mapy globalnej.

Źródło: http://news.mit.edu, autor: Rob Matheson