SUPER:Der sicherheitsgesicherte Hochgeschwindigkeits-Flugroboter der Universität Hongkong revolutioniert die Drohnennavigation

Andrew Corselli

SUPER kann komplexe Umgebungen mit hoher Geschwindigkeit und einem bisher unerreichten Maß an Sicherheit navigieren. (Bild:HKU)

Im Gegensatz zu Vögeln, die mit bemerkenswerter Geschwindigkeit und Agilität durch unbekannte Umgebungen navigieren, sind Drohnen typischerweise auf externe Führung oder vorab kartierte Routen angewiesen. Eine Entwicklung von Professor Fu Zhang und Forschern der Fakultät für Maschinenbau der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Universität Hongkong (HKU) hat es jedoch ermöglicht, dass Drohnen und Mikroluftfahrzeuge (MAVs) die Flugfähigkeiten von Vögeln besser als je zuvor nachahmen können.

Das Team hat den Safety-Assured High-Speed Aerial Robot (SUPER) entwickelt, der in der Lage ist, mit Geschwindigkeiten von mehr als 20 Metern pro Sekunde [etwa 45 Meilen pro Stunde] zu fliegen und Hindernissen mit einer Dicke von nur 2,5 Millimetern [etwa 0,1 Zoll] – wie Stromleitungen oder Zweigen – auszuweichen, indem er ausschließlich an Bord befindliche Sensoren und Rechenleistung nutzt. Mit einem kompakten Design, einem Radstand von nur 280 mm [ca. 11 Zoll] und einem Startgewicht von 1,5 kg [ca. 3,3 Pfund] beweist SUPER eine außergewöhnliche Agilität.

Zhang beschreibt diese Erfindung als bahnbrechend auf dem Gebiet der Drohnentechnologie:„Stellen Sie sich einen ‚Robotervogel‘ vor, der schnell durch den Wald manövriert und dabei Ästen und Hindernissen mit hoher Geschwindigkeit mühelos ausweicht. Dies ist ein bedeutender Fortschritt in der autonomen Flugtechnologie. Unser System ermöglicht es MAVs, komplexe Umgebungen mit hoher Geschwindigkeit und einem bisher unerreichten Maß an Sicherheit zu navigieren. Es ist, als würde man der Drohne die Reflexe eines Vogels verleihen und es ihr ermöglichen, Hindernissen in Echtzeit auszuweichen, während sie auf sie zurast.“ Ziel.“

Der Durchbruch liegt in der ausgefeilten Integration von Hardware und Software. SUPER nutzt einen leichten 3D-LiDAR-Sensor (Light Detection and Ranging), der Hindernisse in einer Entfernung von bis zu 70 Metern [ca. 230 Fuß] punktgenau erkennen kann. Dies ist gepaart mit einem fortschrittlichen Planungsrahmen, der während des Fluges zwei Flugbahnen generiert:eine, die die Geschwindigkeit optimiert, indem sie sich in unbekannte Räume vorwagt, und eine andere, die der Sicherheit Priorität einräumt, indem sie innerhalb bekannter, hindernisfreier Zonen bleibt.

Durch die direkte Verarbeitung von LiDAR-Daten als Punktwolken reduziert das System die Rechenzeit erheblich und ermöglicht so eine schnelle Entscheidungsfindung auch bei hohen Geschwindigkeiten. Die Technologie wurde in verschiedenen realen Anwendungen getestet, beispielsweise bei der autonomen Erkundung antiker Stätten, und hat eine nahtlose Navigation sowohl im Innen- als auch im Außenbereich demonstriert.

„Die Fähigkeit, dünnen Hindernissen auszuweichen und durch enge Räume zu navigieren, eröffnet neue Möglichkeiten für Anwendungen wie Such- und Rettungseinsätze, bei denen jede Sekunde zählt. Die Robustheit von SUPER bei verschiedenen Lichtverhältnissen, einschließlich der Nacht, macht es zu einem zuverlässigen Werkzeug für Einsätze rund um die Uhr“, sagte Hauptautor Yunfan Ren.

Hier ist ein exklusiver Tech Briefs Interview, aus Gründen der Länge und Klarheit bearbeitet, mit Zhang.

Technische Kurzinformationen :Was war für Sie die größte technische Herausforderung bei der Entwicklung von SUPER?

Zhang :Die größte Hürde bestand darin, eine kleine Drohne zu bauen, die sehr schnell durch unbekannte, unübersichtliche Orte wie Wälder oder Katastrophengebiete fliegen konnte, ohne abzustürzen. Wir mussten schnell denken und reagieren, indem wir nur die integrierten Sensoren und den Computer nutzten, was eine Herausforderung darstellte. Die Drohne musste weit entfernte Hindernisse erkennen, in wenigen Millisekunden sichere Wege planen und versteckte Gefahren in Bereichen vermeiden, die sie noch nicht vollständig gesehen hatte. Es war eine große Herausforderung, all diese Aspekte – Geschwindigkeit, Sicherheit und Echtzeitplanung – auf einer winzigen Drohne zusammenzubringen.

Technische Kurzinformationen :Können Sie in einfachen Worten erklären, wie SUPER funktioniert?

Zhang :SUPER ist eine kleine, superagile Drohne, die mit hoher Geschwindigkeit, etwa 45 Meilen pro Stunde, durch unbekannte Orte fliegen kann, ohne irgendetwas zu treffen. Es verwendet einen Lasersensor namens LiDAR, um Hindernisse in einer Entfernung von bis zu 230 Fuß zu „sehen“ und erstellt eine 3D-Karte der Umgebung, wie Bäume, Drähte oder Wände. Jede Zehntelsekunde plant der Bordcomputer von SUPER zwei Pfade:einen schnellen Pfad, der davon ausgeht, dass unerforschte Gebiete sicher sind, um die Geschwindigkeit zu maximieren, und einen Backup-Pfad, der an Bereichen festhält, von denen er weiß, dass sie frei sind, um Abstürze zu vermeiden. Es wählt den besten Weg, um schnell und sicher zu fliegen, und das alles ohne externe Hilfe wie GPS oder zusätzliche Computer.

SUPER wurde in einer Vielzahl realer Anwendungen getestet, darunter auch in Situationen mit völliger Dunkelheit und unaufgeräumten Umgebungen. (Bild:HKU)

Technische Kurzinformationen :Was war der Auslöser für diese Arbeit? Wie kam es dazu?

Zhang :Wir waren von der Idee inspiriert, dass Drohnen in Notfällen helfen können, beispielsweise bei der Suche nach Menschen in Katastrophengebieten oder bei der Lieferung von Hilfsgütern an schwierigen Orten, an denen Geschwindigkeit und Sicherheit von entscheidender Bedeutung sind. Die meisten Drohnen flogen entweder schnell, riskierten aber einen Absturz oder waren zu langsam, um in solchen Situationen nützlich zu sein. Wir sahen eine Lücke:Niemand hatte eine Drohne gebaut, die nur mit ihren eigenen Sensoren schnell und sicher an unbekannten Orten sein konnte. Deshalb machten wir uns daran, SUPER zu entwickeln, indem wir neue Lasersensoren mit intelligenter Planung kombinierten, um eine Drohne zu entwickeln, die reale Herausforderungen wie Such- und Rettungsaktionen bewältigen kann.

Technische Kurzinformationen :Haben Sie feste Pläne für weitere Forschung/Arbeit/etc.? Wenn nicht, was sind Ihre nächsten Schritte?

Zhang :Wir freuen uns darauf, SUPER weiter zu verbessern. Ein großer Plan besteht darin, den Umgang mit sich bewegenden Objekten wie Personen oder Fahrzeugen zu verbessern, indem vorhergesagt wird, wohin sie als nächstes gehen werden, um reibungslosere und sicherere Wege zu planen. Außerdem wollen wir die Drohne noch leichter und aerodynamischer machen, vielleicht mit besseren Motoren oder einem schlankeren Design, damit sie schneller fliegen kann und weniger Energie verbraucht. Wir überlegen, den LiDAR zu verbessern, um kleinere Objekte und größere Entfernungen sehen zu können. Darüber hinaus erforschen wir Möglichkeiten, die Software mithilfe leistungsstarker Chips wie GPUs zu beschleunigen und so die Tür für Anwendungen wie die Erkundung unbekannter Gebiete, die Inspektion von Brücken oder die schnelle und sichere Zustellung von Paketen zu öffnen.

Technische Kurzinformationen :Gibt es noch etwas, das Sie hinzufügen möchten, das ich nicht angesprochen habe?

Zhang :Die Fähigkeit von SUPER, unter allen möglichen Bedingungen zu fliegen – Tag und Nacht, durch dichte Wälder oder enge Räume – macht es zu etwas Besonderem. Es kann sogar superdünnen Hindernissen wie einem 2,5-Millimeter-Draht ausweichen, den die meisten Drohnen nicht sehen können. Dadurch ist es für den Einsatz in der Praxis gerüstet, nicht nur für Labortests. Es könnte beispielsweise ein fahrendes Auto verfolgen oder ein eingestürztes Gebäude erkunden. Wir sind stolz darauf, dass SUPER zeigt, wie Drohnen von der Forschung zur tatsächlichen Hilfe für Menschen in schwierigen Situationen, wie der Katastrophenhilfe oder der Notfallhilfe, übergehen können, und wir hoffen, dass es zu weiteren praktischen Robotiklösungen inspiriert.

Technische Kurzinformationen :Haben Sie einen Rat für Forscher, die ihre Ideen (im Großen und Ganzen) in die Tat umsetzen möchten?

Zhang :Beginnen Sie mit einem echten Problem, das den Menschen wichtig ist, etwa das Leben einfacher oder sicherer zu machen. Arbeiten Sie mit anderen zusammen, die über andere Fähigkeiten verfügen – vielleicht mit jemandem, der hervorragend Hardware baut, mit einem anderen im Programmieren oder mit jemandem, der sich mit der praktischen Seite der Dinge auskennt. Testen Sie Ihre Ideen frühzeitig und häufig, indem Sie Computersimulationen und reale Experimente nutzen, um Probleme zu erkennen und zu beheben. Haben Sie keine Angst vor dem Scheitern; Jeder Test bringt einem etwas bei. Bleiben Sie geduldig und machen Sie weiter, denn es braucht Zeit, Mut und viele Optimierungen, um aus einer coolen Idee etwas zu machen, das in der realen Welt funktioniert.

Transkript

00:00:01 Vögel faszinieren Menschen seit langem mit ihrer Fähigkeit, mit hoher Geschwindigkeit durch unübersichtliche Umgebungen zu navigieren und dabei bemerkenswert niedrige Ausfallraten beizubehalten, ähnlich wie Mikroluftfahrzeuge, die zu den wendigsten von Menschen geschaffenen Maschinen gehören, das Potenzial haben, vogelähnliche agile Flüge zu erreichen, während menschliche Experten die vogelähnliche Beweglichkeit ausbalancieren können.

00:00:24 Hohe Geschwindigkeit und Sicherheit bei autonomen Flügen bleiben eine Herausforderung. Aktuelle Ansätze opfern oft die Sicherheit zugunsten der Geschwindigkeit oder umgekehrt. Dies wirft die kritische Frage auf, wie autonome Mavs sowohl Hochgeschwindigkeits- als auch sichere Flüge in unbekannten Umgebungen der realen Welt erreichen können, indem sie eine sicherheitsgesicherte Hochgeschwindigkeitsantenne einführen

00:00:51 Robot Super ist kompakt mit einem Radstand von nur 280 mm und einem Startgewicht von 1,5 kg und erreicht ein Schubgewichtsverhältnis von mehr als 5,0. Er ist mit einem 360°-Lichterkennungs- und Entfernungssensor ausgestattet, der Objekte in einer Entfernung von bis zu 70 m mit einer Punktrate von mehr als 200.000 Herz erkennen kann

00:01:20 Steuermodule navigieren super durch unbekannte Umgebungen mit Geschwindigkeiten über 20 m/s und verlassen sich dabei vollständig auf integrierte Sensoren und Berechnungen. Mit ihrem fortschrittlichen, auf Lügnern basierenden Wahrnehmungssystem können sie schnell und effizient durch extrem unübersichtliche Umgebungen manövrieren, ohne die Sicherheit zu gefährden.

00:01:51 Erkennen und vermeiden Sie dünne Hindernisse wie Stromleitungen. Darüber hinaus kann es dünne Objekte mit einer Dicke von weniger als 2,5 mm in nur 20 Millisekunden identifizieren und ermöglicht so eine präzise Navigation durch anspruchsvolle Umgebungen, die für moderne, auf Bildverarbeitung basierende kommerzielle Produkte erhebliche Schwierigkeiten darstellen. Der aktive Erkennungsmechanismus des Lar ermöglicht auch den Betrieb von Super.

00:02:21 Den ganzen Tag, sogar in völliger Dunkelheit, dank dieser außergewöhnlichen Fähigkeiten wurde Super in verschiedenen realen Anwendungen getestet. Es kann zur autonomen Erkundung antiker Stätten eingesetzt werden, indem es nahtlos sowohl im Innen- als auch im Außenbereich navigiert. Es kann auch dichte Wälder mit Sicherheitsgarantien durchqueren.

00:02:51 Überwindung komplexer Hindernisse, die Agilität erstreckt sich auch auf Objektverfolgungsmissionen und ermöglicht es ihm, Ziele sowohl im Innen- als auch im Außenbereich bei Tag und Nacht genau zu verfolgen und Hindernissen auszuweichen. Seine Hochgeschwindigkeitsnavigationsfähigkeiten sorgen für ein sicheres Design und eine robuste Leistung. Bestnoten.

00:03:22 bedeutender Meilenstein beim Übergang der autonomen Hochgeschwindigkeitsnavigation vom Labor zu Anwendungen in der realen Welt, obwohl die Forscher noch nicht perfekt sind, hoffen sie, dass Super neue Möglichkeiten in zukünftigen realen Szenarien wie der Kartierung autonomer Lieferkontrollen und Such- und Rettungseinsätzen eröffnen wird