Om drones zelfstandig rond ingewikkelde obstakels in het donker te laten vliegen, Onderzoekers van de Universiteit van Cincinnati wenden zich tot de profs.

Vleermuizen zijn geëvolueerd om geluid en echolocatie te gebruiken om te navigeren en voedsel te vinden. Hun sonar is zo scherp, in feite, dat nectarminnende vleermuizen hun favoriete bloemen in het pikkedonker kunnen 'spotten' met alleen geluid.

Nu gebruiken onderzoekers van UC's College of Engineering and Applied Science deze superkracht om drone-navigatie en autonomie te verbeteren.

Drones kunnen handmatig worden bestuurd met behulp van de zichtlijn, videocamera's, wereldwijde positioneringssatellieten en lasergebaseerde radar genaamd LIDAR. UC ontwikkelt al jaren autonome drones die afhankelijk zijn van fuzzy logic en andere vormen van kunstmatige intelligentie.

Maar het nieuwste UC-drone-project voegt nog een navigatielaag toe:geluid. UC-professor en vleermuisexpert Dieter Vanderelst wil drones van alle soorten de extra mogelijkheid geven om obstakels te observeren en te vermijden met echolocatie.

Onderzoekers zeiden dat dit vooral handig is in situaties waar LIDAR- en satellietsystemen minder betrouwbaar zijn, zoals rokerige of stoffige omstandigheden in gebouwen of tunnels.

"Het probleem is uitdagend omdat in een gebouw, je hebt obstakels in een erg rommelige omgeving, " zei Manish Kumar, UC universitair hoofddocent lucht- en ruimtevaarttechniek. "Het onbemande luchtvaartuig kan met sonar navigeren in rokerige of stoffige omstandigheden."

Vanderelst is bij uitstek gekwalificeerd om dit probleem op te lossen. Hij studeerde biologie en bestudeerde vleermuizen en hoe ze navigeren in de rotsachtige Negev-woestijn van Israël. Hij verdeelt zijn tijd tussen de technische hogeschool en de psychologie- en biologieafdelingen van UC's McMicken College of Arts and Sciences.

"Er zijn honderden soorten vleermuizen en ze hebben allemaal heel verschillende geluiden op verschillende frequenties, ', aldus Vanderelst.

Vleermuizen met een bladneus gebruiken hun vreemd gevormde aanhangsels om geluid met een constante frequentie te versterken en te focussen. Andere vleermuizen creëren een symfonie van gebabbel, die hen in staat stelt om fruit of bloemen te vinden door middel van geluid.

"Intuïtief zou je denken dat een bloem gemakkelijk te vinden is omdat hij kleurrijk is en opvalt tussen het groen van het bos. Maar kleur zegt 's nachts niets, "Zei Vanderelst. "Hun vermogen om de bladeren te scannen om bloemen te vinden is ofwel ongelooflijk, of we missen gewoon iets dat het gemakkelijk maakt. We bekijken het misschien vanuit het verkeerde perspectief."

Terwijl onze verrekijker ons een panoramisch zicht van 210 graden geeft, Vanderelst zei dat vleermuizen een veel smaller detectieveld hebben met een geluidsstraal die minder dan 60 graden omspant.

"Het is alsof ze met een zaklamp voor zich zwaaien om in het donker een prooi te vinden, ', aldus Vanderelst.

Vleermuizen zijn er expert in. Naast het vangen van voedsel tijdens het vliegen, vleermuizen kunnen insecten en kikkers vinden die zich roerloos op bladeren verbergen.

Om te begrijpen hoe hij vleermuisvaardigheden kan vertalen naar een computerdrone, Vanderelst begon in zijn UC-lab. Hij bouwde een robot.

"Ik ben geïnteresseerd in hoe vleermuizen sonar actief gebruiken om de wereld rond te reizen, "Zei Vanderelst. "Ik hoop mensen ervan te overtuigen dat we echolocatie kunnen gebruiken op zeer kleine drones."

Vanderelst ontwierp zijn sensorsysteem op basis van signalen uit de natuur. Eerst, hij gebruikte een 3D-printer om de koppen van kleine vleermuizen met bladneus weer te geven als referentiegids. De microfoons van zijn robot bootsen de vorm en contouren van vleermuisoren na, enigszins verschoven op het robotframe geplaatst op vrijwel dezelfde manier als de oren van een kerkuil asymmetrisch zijn op zijn schedel. Dit helpt de nachtjagers om hun prooi in volledige duisternis te huisvesten met alleen geluid.

De grootte van een Yorkshire Terriër, de rode driewielige robot heeft een reeks ultrasone luidsprekers en microfoons die tonen of pulsen van geluid kunnen uitzenden en sensoren om de reflectie of echo te detecteren. Net zoals geen twee vogelsoorten hetzelfde klinken, vleermuizen maken ook tjilpen van unieke frequenties en duur.

Het vleermuisachtige getjilp van de robot varieert van 25 tot 75 kilohertz, maar Vanderelst zei dat 50 de goede plek is. Om het echolocatievermogen van vleermuizen vast te leggen, een drone zal bijna net zo acrobatisch moeten zijn.

"Een vleermuis draait eerst zijn kop om te kijken waar hij wil vliegen en zijn lichaam volgt hem, "Zei Vanderelst. "Vleermuizen veranderen constant de focus van waar ze naar kijken, dus mijn robot moet kunnen sturen waar hij kijkt, zodat hij hetzelfde kan doen."

Vanderelst zei dat de lessen die hij leert om een ​​robot onafhankelijk in twee dimensies op de grond te laten navigeren, zich zullen vertalen in een drone die in een driedimensionale ruimte werkt. Hij stelt zich een drone voor die zijn "oren" onafhankelijk van elkaar spant om met precisie te navigeren in krappe ruimtes zoals vleermuizen dat doen.

"Het vliegen met een drone is een zeer technische vaardigheid. De operator moet zich heel hard concentreren om nergens tegenaan te botsen, "Zei Vanderelst. "En als de camera's van de drone uitvallen omdat het donker of stoffig is, het zou geweldig zijn om een ​​automatische piloot te hebben die je met behulp van echolocatie uit de buurt van obstakels stuurt."

Het project trok de aandacht van het Amerikaanse ministerie van Binnenlandse Veiligheid, die geïnteresseerd is in het verkennen van toepassingen, UC's Kumar zei.

Kumar stelt zich een drone voor die autonoom naar een onbekend gebied kan vliegen terwijl hij de grenzen van de 3D-ruimte scant en in kaart brengt voor gebruik door verre menselijke waarnemers. Dit zou waardevol zijn voor SWAT-teams of reddingswerkers in situaties waarin het sturen van een persoon om een ​​locatie te verkennen levens in gevaar kan brengen.

"Dat is waar Dieter's vleermuis-geïnspireerde drone ons zal helpen, ' zei Kumar.