Met behulp van een nieuw type camera's, Onderzoekers van de Universiteit van Zürich hebben een vliegende robot gedemonstreerd die snel bewegende objecten kan detecteren en vermijden. Een stap in de richting van drones die sneller kunnen vliegen in ruwe omgevingen, meer bereiken in minder tijd.

Drones kunnen veel, maar obstakels vermijden is nog niet hun sterkste kant, vooral niet als ze snel bewegen. Hoewel veel vliegende robots zijn uitgerust met camera's die obstakels kunnen detecteren, het duurt meestal 20 tot 40 milliseconden voordat de drone het beeld verwerkt en reageert. Het lijkt misschien snel, maar het is niet genoeg om een ​​vogel of een andere drone te ontwijken, of zelfs een statisch obstakel wanneer de drone zelf met hoge snelheid vliegt. Dit kan een probleem zijn wanneer drones worden gebruikt in onvoorspelbare omgevingen, of wanneer er veel van hen in hetzelfde gebied vliegen.

Reactie van enkele milliseconden

Om dit probleem op te lossen, onderzoekers van de Universiteit van Zürich hebben een quadcopter (een drone met vier propellers) uitgerust met speciale camera's en algoritmen die de reactietijd tot enkele milliseconden hebben teruggebracht - genoeg om te voorkomen dat er een bal van korte afstand naar wordt gegooid. De resultaten, gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap Robotica , kunnen drones effectiever maken in situaties zoals de nasleep van een natuurramp.

"Voor zoek- en reddingstoepassingen, zoals na een aardbeving, tijd is erg belangrijk, dus we hebben drones nodig die zo snel mogelijk kunnen navigeren om meer te bereiken binnen hun beperkte batterijduur, " legt Davide Scaramuzza uit, die de Robotics and Perception Group aan de Universiteit van Zürich leidt, evenals de NCCR Robotics Search and Rescue Grand Challenge. "Echter, door snelle navigatie zijn drones ook meer blootgesteld aan het risico van botsingen met obstakels, en nog meer als deze in beweging zijn. We realiseerden ons dat een nieuw type camera, gebeurteniscamera genoemd, zijn hier perfect geschikt voor".

Gebeurteniscamera's hebben slimme pixels

Traditionele videocamera's, zoals die in elke smartphone, werk door regelmatig snapshots van de hele scène te maken. Dit wordt gedaan door de pixels van de afbeelding allemaal tegelijk te belichten. Op deze manier, Hoewel, een bewegend object kan pas worden gedetecteerd nadat alle pixels door de boordcomputer zijn geanalyseerd. Evenementencamera's, anderzijds, hebben slimme pixels die onafhankelijk van elkaar werken. De pixels die geen veranderingen detecteren, zwijgen, terwijl degenen die een verandering in lichtintensiteit zien onmiddellijk de informatie uitzenden. Dit betekent dat slechts een klein deel van alle pixels van het beeld door de boordcomputer hoeft te worden verwerkt, waardoor de berekening veel wordt versneld.

Evenementencamera's zijn een recente innovatie, en bestaande objectdetectie-algoritmen voor drones werken daar niet goed mee. Dus moesten de onderzoekers hun eigen algoritmen uitvinden die alle gebeurtenissen verzamelen die door de camera in een zeer korte tijd zijn vastgelegd, trekt vervolgens het effect van de eigen beweging van de drone af, die doorgaans verantwoordelijk is voor de meeste veranderingen in wat de camera ziet.

Slechts 3,5 milliseconden om inkomende objecten te detecteren

Scaramuzza en zijn team testten eerst de camera's en algoritmen alleen. Ze gooiden voorwerpen van verschillende soorten en maten naar de camera, en gemeten hoe efficiënt het algoritme was om ze te detecteren. Het slagingspercentage varieerde tussen 81 en 97 procent, afhankelijk van de grootte van het object en de afstand van de worp, en het systeem had slechts 3,5 milliseconden nodig om binnenkomende objecten te detecteren.

Toen begon de meest serieuze test:camera's op een echte drone zetten, zowel binnen als buiten vliegen en er voorwerpen rechtstreeks naar gooien. De drone was in staat om de objecten te ontwijken, waaronder een bal die vanaf een afstand van drie meter werd gegooid en met een snelheid van 10 meter per seconde, meer dan 90 procent van de tijd. Toen de drone van tevoren de grootte van het object "wist", één camera was genoeg. Wanneer, in plaats daarvan, het moest objecten van verschillende grootte onder ogen zien, twee camera's werden gebruikt om het stereoscopisch zicht te geven.

Volgens Scaramuzza, deze resultaten laten zien dat gebeurteniscamera's de snelheid waarmee drones kunnen navigeren tot tien keer sneller kunnen maken, waardoor hun mogelijke toepassingen worden uitgebreid. "Op een dag zullen drones worden gebruikt voor een grote verscheidenheid aan toepassingen, zoals levering van goederen, vervoer van mensen, luchtfilmografie en, natuurlijk, zoek en Red, ", zegt hij. "Maar robots in staat stellen om sneller waar te nemen en beslissingen te nemen, kan een game changer zijn, ook voor andere domeinen waar het betrouwbaar detecteren van inkomende obstakels een cruciale rol speelt, zoals auto's, goede levering, vervoer, mijnbouw, en inspectie op afstand met robots".

Bijna net zo betrouwbaar als menselijke piloten

In de toekomst, het team wil dit systeem testen op een nog wendbare quadrotor. "Ons uiteindelijke doel is om op een dag autonome drones net zo goed te laten navigeren als menselijke dronepiloten. Momenteel in alle zoek- en reddingstoepassingen waarbij drones betrokken zijn, de mens heeft eigenlijk de controle. Als we autonome drones zo betrouwbaar zouden kunnen laten navigeren als menselijke piloten, zouden we ze kunnen gebruiken voor missies die buiten het gezichtsveld of buiten het bereik van de afstandsbediening vallen, " zegt Davide Falanga, de Ph.D. student die de hoofdauteur van het artikel is.