مهندسان دانشگاه هنگ کنگ یک ربات هوایی پیشرفته شبیه به پهپاد را توسعه داده‌اند که برای حرکت با سرعت بالا در محیط‌های ناشناخته طراحی شده است.
برخلاف تلاش‌های قبلی که در جلوگیری از موانع در زمان واقعی با سرعت بالا مشکل داشتند، مدل نام‌گذاری شده SUPER یک سیستم درک پیشرفته و الگوریتم‌های کنترل مبتنی بر هوش مصنوعی را ادغام می‌کند.
SUPER دارای سنسور 3D LiDAR سبک برای تشخیص موانع با دقت بالا و در برد طولانی است. برای امکان پرواز امن با سرعت بالا، از یک چارچوب برنامه‌ریزی کارآمد استفاده می‌کند که مسیرها را مستقیماً از ابر نقاط LiDAR تولید می‌کند.
به گفته تیم تحقیقاتی، هر چرخه برنامه‌ریزی مجدد دو مسیر تولید کرد: یکی برای ایمنی در فضاهای آزاد شناخته شده و دیگری برای سرعت در همه فضاها. این رویکرد میزان شکست را ۳۵.۹ برابر کاهش داد، زمان برنامه‌ریزی را به نصف کاهش داد و SUPER را قادر ساخت تا با سرعت بالای ۲۰ متر بر ثانیه در هنگام اجتناب از موانع نازک و فضاهای تنگ پرواز کند.
“SUPER نمایانگر یک نقطه عطف در سیستم‌های MAV خودکار (وسیله هوایی میکرو) است که شکاف بین تحقیقات آزمایشگاهی و کاربردهای دنیای واقعی را پر می‌کند،” پژوهشگران در چکیده مطالعه گفتند.
ناوبری چابک MAV
پرندگان در پرواز با سرعت بالا در فضاهای شلوغ با شکست کم موفق هستند. MAVها می‌خواهند این چابکی را برای کاربردهای دنیای واقعی مانند جستجو و نجات تکرار کنند. دستیابی به پرواز امن با سرعت بالا در محیط‌های ناشناخته نیاز به تعادلی بین چابکی، حسگر برد بلند و برنامه‌ریزی مسیر کارآمد با استفاده از پردازش درونی دارد.
چندین پروژه تحقیقاتی بر افزایش سرعت با استفاده از مسیرهای از پیش محاسبه شده یا یادگیری تقویتی متمرکز شده‌اند، اما آن‌ها اغلب وابسته به محیط‌های از پیش تعریف شده یا حسگر خارجی هستند که قابلیت کاربردی آن‌ها را محدود می‌کند.
با محدود کردن پرواز به مناطق آزاد شناخته شده یا کاهش سرعت در نزدیکی مکان‌های ناشناخته، برخی ایمنی را اولویت می‌دهند. محققان دانشگاه هنگ کنگ دریافتند که تکنیک دو مسیری، اگرچه شامل تأخیرهای محاسباتی می‌شد، اما سرعت را افزایش داد در حالی که ایمنی را حفظ کرد.
اکثریت MAV ها از حسگرهای بصری برای ناوبری استفاده می‌کنند. اما اینها به تارت اثیر حرکت، برد کوتاه و مشکلات در نور کم دچار می‌شوند. فراتر از تکنیک‌های قبلی، SUPER با استفاده از ۳D LiDAR سبک برای تشخیص برد بلند و سیستم برنامه‌ریزی کارآمد، پرواز امن با سرعت بالا را تضمین می‌کند.
براساس آزمایش‌ها، SUPER می‌تواند با سرعت ۲۰ متر بر ثانیه بدون حادثه از یک دوره مانع عبور کند. در حالی که در یک جنگل حرکت می‌کرد، تیم تحقیقاتی کشف کردند که می‌تواند با موفقیت از درختان، شاخه‌ها و موانع دیگر اجتناب کند و در عین حال یک هدف مانند انسان را دنبال کند. آن‌ها همچنین کشف کردند که می‌تواند در نور کم عمل کند زیرا مبتنی بر LiDAR است.
خودمختاری کارآمد پهپاد
SUPER از LiDAR سه‌بعدی برای ناوبری ماو پر سرعت استفاده می‌کند، در مقایسه با سیستم‌های مبتنی بر بینایی در برد، دقت و قابلیت اطمینان در شرایط نور کم بهتر عمل می‌کند. پهپادهای بدون سرنشین مجهز به LiDAR سنتی به دلیل حسگرهای حجیم و گران‌قیمت سنگین و کند بودند.
ربات هوایی با استفاده از طراحی جمع‌وجور با نسبت نیروی بیشتر به وزن و یک LiDAR سبک Livox MID360 از این مشکلات عبور می‌کند.
برخلاف روش‌های قبلی که به شبکه‌های مربعی اشغالی محاسباتی گران نیاز داشتند، SUPER به طور کارآمدی ابر نقاط LiDAR را پردازش می‌کند تا فضاهای آزاد را تشخیص دهد و زمان نقشه‌برداری را به یک تا پنج میلی‌ثانیه کاهش می‌دهد.
آن همچنین برنامه‌ریزی مسیر را با استفاده از روش‌های مبتنی بر گرادیان به جای برنامه‌نویسی مرکب عدد صحیح کند بهینه‌سازی می‌کند و نرخ‌های موفقیت بالاتری را به دست می‌آورد. رویکرد دو مسیری SUPER با حفظ مسیر پشتیبان در حالی که بهینه‌سازی زمان تغییر به صورت پویا انجام می‌شود، ایمنی را افزایش می‌دهد.
با استفاده از ناوبری لیزر-اینرسی درونی، SUPER به‌طور مستقل در محیط‌های بدون سیستم ماهواره‌ای جهانی عمل می‌کند، که آن را برای کاربردهای دنیای واقعی مناسب می‌کند. این پیشرفت‌ها اجازه می‌دهند SUPER پهپادهای بدون سرنشین مبتنی بر LiDAR گذشته را در سرعت، کارآمدی و تطبیق‌پذیری پشت سر بگذارد.
محققان با اشاره به پیشرفت‌های آینده، تأکید می‌کنند که حسگرهای LiDAR کوچکتر و سبک‌تر با برد بلندتر می‌توانند چابکی، سرعت و توانایی SUPER را در ناوبری در فضاهای محدود افزایش دهند. آیرودینامیک بهبود یافته و پیش‌بینی حرکت نیز کارآمدی را بیشتر خواهند کرد.
تیم معتقد است که با نیازهای محاسباتی کم و ایمنی با سرعت بالا، SUPER برای کاوش، لجستیک، بازرسی و عملیات جستجو و نجات در محیط‌های متنوع و نامنظم ایده‌آل است.
جزئیات مطالعه تیم در مجله Science Robotics منتشر شد.
