Højhastighedsdroner navigerer i skove uden GPS

Researchers from the HKU Mechatronics and Robotic Systems Lab (MaRS LAB) have introduced a navigation system that enables high-speed drones to detect centimeter-thick items while in rapid flight. The system combines advanced sensors, lightweight drone components, and a new flight path framework to dodge obstacles in real-time while speeding through congested areas. Here’s what you need to know.

Hvordan højhastighedsdroner er designet til at efterligne fugleflyvning

Der er uomtvisteligt, at droneteknologien har gennemgået betydelige forbedringer i de sidste par år. Nutidens droner kan flyve længere, bære mere vægt og understøtte flere sensorer end deres forgængere. Derudover er de meget billigere at producere og lettere tilgængelige.

På trods af disse fremskridt findes der endnu ingen drone, der kan matche en fugls evne til at bestemme flyveveje i realtid, mens den tager højde for uventede variabler som grene eller andre fugle. Droner kan flyve lange afstande og lande på præcise steder. Disse enheder er dog stadig afhængige af forudbestemte flyveveje eller ekstern sensorinput som GPS for at navigere til deres mål.

Hvorfor autonom højhastighedsnavigation har været en udfordring

Indtil nu har forskere ikke kunnet finde ud af, hvordan man opnår autonom, sikker og højhastighedsdronenavigation uden at stole på ekstern vejledning eller forudkortlagte ruter. Problemerne stammer fra flere forhold, herunder behovet for at tilføje flere sensorer for at gøre det muligt for disse fartøjer at opdage flere forhindringer.

Når du introducerer flere sensorer, kræves der yderligere beregningskraft for at behandle de ekstra sensorinputdata. Jo kraftigere computeren og sensorerne er, desto mere vægt tilføjes dronen, hvilket reducerer dens evne til at flyve hurtigt og forblive stabil ved hastighed.

Heldigvis kan disse begrænsninger være blevet overvundet af et team af geniale hjerner fra Afdelingen for Maskiningeniørvidenskab på Ingeniørfakultetet ved University of Hong Kong (HKU).

Studieoversigt: Sikkerhedsgaranteret navigation for højhastighedsdroner

Videnskabsmanden Yunfan Ren og et team af ingeniører offentliggjorde¹ Safety-assured high-speed navigation for MAVs i Science Robotics for nylig. Undersøgelsen kaster lys over en næste generations autonome flyvningsteknologi, designet til at gøre det muligt for droner og mikro luftfartøjer (MAVs) at navigere i komplekse miljøer med topfart uden ekstern sensorinput.

Hvad er SUPER-dronen? Specifikationer og funktioner

SUPER-dronen er en kompakt MAV, der er specifikt bygget til at demonstrere ingeniørens nye flyvevejssystem. Enheden blev designet fra dag ét til at være let og smidig. Den har en kompakt formfaktor med en 280-millimeter akselafstand og mikrocomputerkomponenter, der giver den et imponerende thrust-to-weight-forhold på +5,0 og en startvægt på 1,5 kg. Disse faktorer gør det muligt for SUPER at flyve med +20 meter per sekund, mens den undviger forhindringer.

Source – University of Hong Kong

Letvægtscomputing for højhastighedspræstation

Kernen i SUPER er en miniaturcomputer, der kan overvåge og beregne sensorinput. Det letvægtskort giver fartøjet længere flyvetid, samtidig med at det forbedrer dets kapaciteter sammenlignet med forgængerne. Derudover kan flyvecomputeren understøtte waypoints, GPS og andre former for ekstern navigation, når det er nødvendigt.

Hvordan LiDAR og sensorer guider autonom flyvning

Den indbyggede sensorsuite er det, der gør det muligt for fartøjet at operere med så høj ydeevne under forskellige forhold. Enheden indeholder en letvægts 3D-lysdetektion og afstandsmåling (LIDAR) sensor, der gør den i stand til at bestemme genstande så tynde som en gren fra +70 meter væk. Bemærkelsesværdigt er, at LIDAR-inputtet indtastes direkte som punkt-skyer langs ruten. Denne tilgang giver meget hurtigere input- og responstider for flyvevejcomputeren.

Planlægning og justering af flyvevej i realtid

Ingeniørerne anvendte en unik tilgang til flyveplanlægning. For eksempel scanner systemet konstant og opdaterer flyveveje for fartøjet. Den nye flyvevejkoordinator skaber to forskellige ruter som muligheder for dronen. Den første rute er den klareste, mens den anden rute har ukendte vektorer. Derfra bruger computeren realtidsdata til at justere mønstrene baseret på situationen.

Test af højhastighedsdronenavigation i virkelige miljøer

Ingeniørerne gennemførte flere tests for at sikre, at deres højhastighedsdroner ville fungere som forudsagt. De udførte flere flyvetests, hvor fartøjet skulle navigere i komplekst terræn. Derudover anvendte ingeniørerne forskellige lysforhold, herunder totalt mørke, for at se, hvordan sensorens ydeevne blev påvirket.

Interessant nok valgte teamet flere lokationer til testfasen. Teststederne spænder fra indendørs kontorområder til udendørs i tætte skove. I en test blev enheden sendt af sted for at suse gennem en skov om natten. For at udføre denne opgave måtte enheden scanne, registrere og navigere forhindringer i realtid, mens den bevægede sig med høj hastighed.

Vigtige resultater fra højhastighedsdronetest

Den højhastighedsdronen opnåede autonome flyvninger i flere scenarier. Den kunne nå hastigheder på +20 meter per sekund, mens den samtidig navigerede i indviklede miljøer. Selvom den ikke er perfekt, registrerede systemet en 35‑gange reduktion i flyvefejl ved brug af den nye metode. Derudover tog opsætning af flyvevejen kun halvdelen af tiden, og enheden fløj hurtigere end traditionelle droner i de samme testscenarier.

Fordele ved avanceret højhastighedsdroneteknologi

Der er mange fordele ved højhastighedsdroner, der kan navigere autonomt gennem tæt luftrum. For det første kan de bruges i anvendelser, hvor smidighed og sikker navigation er afgørende for missionens succes. Disse enheder kan træffe beslutninger på splitsekunder, så de kan bestemme den bedste måde at undvige et nærgående objekt og forblive på kurs.

Forenkling af droneprogrammering med indbygget intelligens

At bestemme en sikker flyvevej for droner har altid været et problem. Efterhånden som mere lufttrafik opstår, og droneruter bliver mere komplicerede, vil oprettelse af flyveveje kræve endnu mere indsats. De autonome systemer, der blev introduceret i undersøgelsen, kan hjælpe med at reducere denne tid, da fartøjet vil kunne foretage ændringer i flyvevejen i realtid, når det er nødvendigt.

Virkelige anvendelser og tidslinje for højhastighedsdroner

Der er en lang liste af anvendelser for smidige autonome MAV’er (Miniature Aerial Vehicles). Disse enheder vil åbne døren til et nyt niveau af bekvemmelighed og respons. Fra redningshold, der bruger disse enheder til at finde overlevende, til e-handelswebsites, der leverer dine pakker, er der mange anvendelser for disse high‑tech enheder.

Denne højhastighedsdroneteknologi kan være i brug inden for det næste år eller mindre. Flere lande presser på for at blive globale aktører på dronemarkedet. Denne teknologi vil helt sikkert blive modtaget med åbne arme, da ingeniører søger at gøre droner smartere og mere bevidste. Du kan forvente at se militær integration inden for de næste 2 år, med kommercielle anvendelser, der rammer markedet inden for de næste 5 år.

Autonome droner i søge- og redningsmissioner

En af de vigtigste anvendelser for disse autonome fartøjer vil være at hjælpe i søge- og redningsmissioner. Disse enheder vil kunne udforske vrag autonomt efter en katastrofe og lokalisere menneskelige overlevende. De kan anmode om forsyninger og anden nødvendig hjælp, som også kan leveres via drone til den overlevendes placering, indtil menneskelig hjælp ankommer. På sigt kan konceptet skaleres op til droner, der kan transportere overlevende direkte til sikkerhed.

Hvordan højhastighedsdroner kan revolutionere dronelevering

Virksomheder som Amazon (AMZN ) har i årevis drømt om dronelevering. Konceptet har dog vist sig at være meget sværere end først antaget. Denne seneste udvikling bør hjælpe med at drive teknologien fremad, da enhederne vil kunne justere deres flyvevej for at optimere ydeevnen. Som følge heraf kan levering næste dag blive normen.

Brug af autonome droner til infrastrukturovervågning

At holde broer, veje og anden vital infrastruktur i god stand er en enorm opgave, der kræver konstant tilsyn. Brug af autonome droner kan hjælpe med at reducere det nødvendige arbejdskraft, samtidig med at de forbedrer kapaciteten hos dem, der er ansvarlige for at overvåge disse vigtige elementer. I fremtiden vil droner scanne nøgleinfrastruktur og underrette inspektører om potentielle farer, før de bliver et problem.

Overvågning af miljøet med autonome droner

Et andet område, hvor autonome droner kan gøre en stor forskel, er miljøovervågning. Disse systemer kan opsættes til automatisk at køre ruter og registrere ændringer i miljøet. Denne tilgang giver miljøforkæmpere et nyt bevidsthedsniveau og kan også hjælpe forskere med at holde øje med planetens sundhed.

Dron-sværme til udforskning og dataindsamling

Der er mange, der ser autonome dron-sværme som en af de bedste måder at opdage og kortlægge nye områder på. Denne tilgang eliminerer risiciene for opdagelsesrejsende og leverer realtidsdata, som forskere kan gennemgå og bestemme den næste bedste handling. Allerede nu har autonome droner vist sig at være afgørende i kortlægningsindustrien, hvor de bruges til at spore svært tilgængelige steder som havbunden.

Forskere inden for højhastighedsdroner

Yunfan Ren var hovedforfatter på forskningspapiret om højhastighedsdroner. Han fik støtte fra professor Fu Zhang og et team af forskere fra Afdelingen for Maskiningeniørvidenskab på Ingeniørfakultetet ved University of Hong Kong (HKU).

Fremtidige udviklingsmål for højhastighedsdroner

Konkurrencen er i gang om at forbedre SUPER’s rækkevidde, hastighed og behandlingskraft. Teamet vil nu forsøge at presse grænserne for SUPER for at se, hvordan man kan gøre fartøjet lettere, mere smidigt, med længere flyvetid og i stand til tungere nyttelaster. Derudover søger ingeniørerne at miniaturere MAV’en yderligere, så den kan bruges i flere scenarier.

Investering i dronsektoren

Dronemarkedet er en hurtigt voksende sektor, der har konkurrence fra hele verden. Især har Kinas DJI den største markedsandel. Mange virksomheder har dog potentiale til at ryste branchen med deres nye produkter og forretningsmodeller. Her er en virksomhed, der er positioneret til succes.

EHang 

Ehang (EH ) gik ind i dronemarkedet i 2014 for at gøre passagerbærende droner til virkelighed. Virksomheden er fortsat central i at omdanne droner fra værktøjer til en pålidelig transportform. I den forbindelse har den opnået flere resultater, herunder lanceringen af verdens første personbærende autonome luftfartøj (AAV).

I 2018 indgik Ehang flere high‑end partnerskaber og udviklingsaftaler. Bemærkelsesværdigt omfattede en af disse aftaler samarbejde med byen Lyon i Frankrig om et lufttaxi‑protokol. Et andet partnerskab, med den østrigske rumfartsgruppe FACC, havde til formål at forbedre passagerdronens kapaciteter og sikkerhed.