Het vinden van verdwaalde wandelaars in bossen kan een moeilijk en langdurig proces zijn, omdat helikopters en drones geen glimp kunnen opvangen door het dikke bladerdak. Onlangs, er is voorgesteld dat autonome drones, die door bomen kan dobberen en weven, zou kunnen helpen bij deze zoekopdrachten. Maar de GPS-signalen die worden gebruikt om het vliegtuig te leiden, kunnen onbetrouwbaar zijn of niet bestaan ​​in bosomgevingen.

In een paper dat volgende week wordt gepresenteerd op het International Symposium on Experimental Robotics-conferentie, MIT-onderzoekers beschrijven een autonoom systeem voor een vloot van drones om samen te zoeken onder dichte bosluifels. De drones gebruiken alleen berekeningen aan boord en draadloze communicatie - geen GPS vereist.

Elke autonome quadrotor-drone is uitgerust met laserafstandsmeters voor positiebepaling, lokalisatie, en routeplanning. Terwijl de drone rondvliegt, het creëert een individuele 3D-kaart van het terrein. Algoritmen helpen het om onontgonnen en reeds gezochte plekken te herkennen, zodat het weet wanneer het een gebied volledig in kaart heeft gebracht. Een off-board grondstation combineert individuele kaarten van meerdere drones tot een wereldwijde 3D-kaart die kan worden gecontroleerd door menselijke redders.

In een real-world implementatie, hoewel niet in het huidige systeem, de drones zouden uitgerust zijn met objectdetectie om een ​​vermiste wandelaar te identificeren. Wanneer gelokaliseerd, de drone zou de locatie van de wandelaar op de wereldkaart taggen. Mensen zouden deze informatie vervolgens kunnen gebruiken om een ​​reddingsmissie te plannen.

"Eigenlijk, we vervangen mensen door een vloot drones om het zoek- en reddingsproces efficiënter te maken, " zegt eerste auteur Yulun Tian, een afgestudeerde student in de afdeling Lucht- en Ruimtevaart (AeroAstro).

De onderzoekers testten meerdere drones in simulaties van willekeurig gegenereerde bossen, en testte twee drones in een bosrijk gebied binnen NASA's Langley Research Center. Bij beide experimenten elke drone bracht in ongeveer twee tot vijf minuten een gebied van ongeveer 20 vierkante meter in kaart en voegde samen in realtime hun kaarten samen. De drones presteerden ook goed op verschillende punten, inclusief algehele snelheid en tijd om de missie te voltooien, detectie van boskenmerken, en nauwkeurig samenvoegen van kaarten.

Verkennen en in kaart brengen

Op elke drone, de onderzoekers monteerden een LIDAR-systeem, die een 2D-scan maakt van de omringende obstakels door laserstralen te schieten en de gereflecteerde pulsen te meten. Dit kan worden gebruikt om bomen te detecteren; echter, naar drones, individuele bomen lijken opmerkelijk veel op elkaar. Als een drone een bepaalde boom niet kan herkennen, het kan niet bepalen of het al een gebied heeft verkend.

De onderzoekers programmeerden hun drones om in plaats daarvan de oriëntaties van meerdere bomen te identificeren, die veel onderscheidender is. Met deze methode, wanneer het LIDAR-signaal een cluster bomen retourneert, een algoritme berekent de hoeken en afstanden tussen bomen om dat cluster te identificeren. "Drones kunnen dat gebruiken als een unieke handtekening om te zien of ze dit gebied eerder hebben bezocht of dat het een nieuw gebied is, "zegt Tian.

Deze functiedetectietechniek helpt het grondstation om kaarten nauwkeurig samen te voegen. De drones verkennen over het algemeen een gebied in lussen, terwijl ze scans maken. Het grondstation monitort continu de scans. Wanneer twee drones ronddraaien naar dezelfde groep bomen, het grondstation voegt de kaarten samen door de relatieve transformatie tussen de drones te berekenen, en vervolgens de afzonderlijke kaarten samensmelten om consistente oriëntaties te behouden.

"Het berekenen van die relatieve transformatie vertelt je hoe je de twee kaarten moet uitlijnen, zodat het precies overeenkomt met hoe het bos eruitziet, "zegt Tian.

In het grondstation, robotnavigatiesoftware genaamd "simultaneous localization and mapping" (SLAM) - die zowel een onbekend gebied in kaart brengt als een agent in het gebied bijhoudt - gebruikt de LIDAR-invoer om de positie van de drones te lokaliseren en vast te leggen. Dit helpt het om de kaarten nauwkeurig te fuseren.

Het eindresultaat is een kaart met 3D-terreinkenmerken. Bomen verschijnen als blokken gekleurde tinten blauw tot groen, afhankelijk van hoogte. Onverkende gebieden zijn donker, maar worden grijs als ze in kaart worden gebracht door een drone. Padplanningssoftware aan boord vertelt een drone om deze donkere, onontgonnen gebieden altijd te verkennen terwijl hij rondvliegt. Het maken van een 3D-kaart is betrouwbaarder dan simpelweg een camera aan een drone bevestigen en de videobeelden in de gaten houden. zegt Tian. Video verzenden naar een centraal station, bijvoorbeeld, vereist veel bandbreedte die in beboste gebieden misschien niet beschikbaar is.

Efficiënter zoeken

Een belangrijke innovatie is een nieuwe zoekstrategie waarmee de drones een gebied efficiënter kunnen verkennen. Volgens een meer traditionele benadering, een drone zou altijd het dichtstbijzijnde onbekende gebied afzoeken. Echter, dat kan in een willekeurig aantal richtingen zijn vanaf de huidige positie van de drone. De drone vliegt meestal een korte afstand, en stopt dan om een ​​nieuwe richting te kiezen.

"Dat respecteert de dynamiek van drone [beweging] niet, "zegt Tian. "Het moet stoppen en draaien, dus dat betekent dat het erg inefficiënt is in termen van tijd en energie, en je kunt niet echt snelheid oppikken."

In plaats daarvan, de drones van de onderzoekers verkennen het dichtstbijzijnde gebied, rekening houdend met hun snelheid en richting en met een constante snelheid. Deze strategie - waarbij de drone de neiging heeft om in een spiraalpatroon te reizen - bestrijkt een zoekgebied veel sneller. "Bij zoek- en reddingsmissies, tijd is erg belangrijk, "zegt Tian.

In de krant, de onderzoekers vergeleken hun nieuwe zoekstrategie met een traditionele methode. Vergeleken met die basislijn, de strategie van de onderzoekers hielp de drones aanzienlijk meer gebied te bestrijken, enkele minuten sneller en met hogere gemiddelde snelheden.

Een beperking voor praktisch gebruik is dat de drones nog steeds moeten communiceren met een off-board grondstation voor het samenvoegen van kaarten. In hun buitenexperiment, de onderzoekers moesten een draadloze router opzetten die elke drone en het grondstation met elkaar verbond. In de toekomst, ze hopen de drones te ontwerpen om draadloos te communiceren wanneer ze elkaar naderen, versmelten hun kaarten, en verbreek dan de communicatie wanneer ze uit elkaar gaan. Het grondstation, in dat geval, zou alleen worden gebruikt om de bijgewerkte wereldkaart te controleren.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.