SUPER: Hong Kong Universitys sicherheitsgarantierter High-Speed-Aerial-Roboter revolutioniert Drohnennavigation

Andrew Corselli

SUPER kann komplexe Umgebungen bei hohen Geschwindigkeiten mit einem bisher unerreichten Sicherheitsniveau navigieren.

Vogelgleiche Agilität für Drohnen

Im Gegensatz zu Vögeln, die unbekannte Umgebungen mit bemerkenswerter Geschwindigkeit und Agilität navigieren, verlassen sich Drohnen typischerweise auf externe Führung oder vorgeplante Routen. Eine Entwicklung von Professor Fu Zhang und Forschern des Department of Mechanical Engineering der Faculty of Engineering an der University of Hong Kong (HKU) hat Drohnen und Micro Air Vehicles (MAVs) jedoch ermöglicht, die Flugfähigkeiten von Vögeln näher als je zuvor zu emulieren.

Das Team hat den Safety-Assured High-Speed Aerial Robot (SUPER) entwickelt, der Geschwindigkeiten über 20 Meter pro Sekunde (ca. 72 km/h) erreicht und Hindernisse so dünn wie 2,5 Millimeter (ca. 0,1 Zoll) – wie Stromleitungen oder Zweige – vermeidet, ausschließlich mithilfe Onboard-Sensoren und Rechenleistung. Mit einem kompakten Design mit nur 280 mm Radstand (ca. 11 Zoll) und einem Startgewicht von 1,5 kg (ca. 3,3 lbs) demonstriert SUPER außergewöhnliche Agilität.

Zhang beschreibt diese Erfindung als Gamechanger im Drohnentechnologie-Bereich: „Stellen Sie sich einen ‚Roboter-Vogel‘ vor, der schnell durch den Wald manövriert, mühelos Ästen und Hindernissen bei hohen Geschwindigkeiten ausweicht. Das ist ein signifikanter Schritt vorwärts in autonomer Flugtechnologie. Unser System erlaubt MAVs, komplexe Umgebungen bei hohen Geschwindigkeiten mit einem bisher unerreichten Sicherheitsniveau zu navigieren. Es ist, als gäbe man der Drohne die Reflexe eines Vogels, die es ihr ermöglicht, Hindernisse in Echtzeit auszuweichen, während sie auf ihr Ziel zurast.“

Hardware-Software-Integration als Durchbruch

Der Durchbruch liegt in der sophistizierten Integration von Hardware und Software. SUPER nutzt einen leichten 3D-LiDAR-Sensor (Light Detection and Ranging), der Hindernisse bis zu 70 Metern (ca. 230 Fuß) Entfernung mit punktgenauer Genauigkeit detektiert. Gepaart mit einem fortschrittlichen Planungsframework, das während des Flugs zwei Trajektorien generiert: eine, die Geschwindigkeit optimiert, indem sie unbekannte Bereiche wagt, und eine, die Sicherheit priorisiert, indem sie in bekannten, hindernisfreien Zonen bleibt.

Durch direkte Verarbeitung von LiDAR-Daten als Punktwolken reduziert das System die Berechnungszeit signifikant und ermöglicht schnelle Entscheidungsfindung selbst bei hohen Geschwindigkeiten. Die Technologie wurde in verschiedenen Real-Life-Anwendungen getestet, wie der autonomen Erkundung antiker Stätten, und demonstrierte nahtlose Navigation in sowohl Indoor- als auch Outdoor-Umgebungen.

„Die Fähigkeit, dünne Hindernisse zu vermeiden und enge Räume zu navigieren, eröffnet neue Möglichkeiten für Anwendungen wie Search and Rescue, wo jede Sekunde zählt. SUPERs Robustheit in verschiedenen Lichtverhältnissen, einschließlich Nachts, macht es zu einem zuverlässigen Werkzeug für Rund-um-die-Uhr-Operationen“, sagt Lead-Autor Yunfan Ren.

Exklusives Tech-Briefs-Interview mit Professor Fu Zhang

Tech Briefs: Was war die größte technische Herausforderung bei der Entwicklung von SUPER?

Zhang: Die größte Hürde war, eine kleine Drohne zu bauen, die wirklich schnell durch unbekannte, unübersichtliche Orte wie Wälder oder Katastrophenzonen fliegen kann, ohne abzustürzen. Wir brauchten sie, um schnell zu denken und zu reagieren, nur mit ihren Onboard-Sensoren und Computer – was tough war. Die Drohne musste Hindernisse weit weg erkennen, sichere Pfade in wenigen Millisekunden planen und versteckte Gefahren in Bereichen vermeiden, die sie noch nicht vollständig gesehen hatte. All diese Teile – Geschwindigkeit, Sicherheit und Echtzeit-Planung – auf einer winzigen Drohne zusammenzubringen, war eine riesige Herausforderung.

Tech Briefs: Können Sie in einfachen Worten erklären, wie SUPER funktioniert?

Zhang: SUPER ist eine kleine, super-agile Drohne, die durch unbekannte Orte mit hohen Geschwindigkeiten – wie 72 km/h – zoomt, ohne irgendetwas zu treffen. Sie nutzt einen Lasersensor namens LiDAR, um „zu sehen“ – Hindernisse bis zu 230 Fuß Entfernung, erstellt eine 3D-Karte der Umgebung – Bäume, Drähte, Wände. Jedes Zehntelsekunde plant SUPERs Onboard-Computer zwei Pfade: einen schnellen, der annimmt, unerforschte Bereiche sind sicher, um Geschwindigkeit zu maximieren, und einen Backup-Pfad, der bei bekannten klaren Bereichen bleibt, um Crashes zu vermeiden. Er wählt den besten Pfad, um schnell aber sicher zu fliegen – ganz ohne externe Hilfe wie GPS oder Extra-Computer.

Tech Briefs: Was war der Katalysator für diese Arbeit? Wie kam es dazu?

Zhang: Wir wurden von der Idee inspiriert, Drohnen in Notfällen zu helfen – wie Menschen in Katastrophengebieten zu finden oder Lieferungen an schwierigen Orten, wo Geschwindigkeit und Sicherheit kritisch sind. Die meisten Drohnen flogen entweder schnell, aber riskierten Crashes, oder waren zu langsam, um in diesen Situationen nützlich zu sein. Wir sahen eine Lücke: Niemand hatte eine Drohne gebaut, die sowohl schnell als auch sicher in unbekannten Orten nur mit eigenen Sensoren sein konnte. Also machten wir uns daran, SUPER zu schaffen – neue Lasersensoren mit smarter Planung zu kombinieren, um eine Drohne zu machen, die Realwelt-Herausforderungen wie Search and Rescue bewältigen kann.

Tech Briefs: Haben Sie konkrete Pläne für weitere Forschung/Arbeit? Wenn nicht, was sind die nächsten Schritte?

Zhang: Wir sind begeistert, SUPER weiter zu verbessern. Ein großer Plan: besser im Umgang mit bewegten Objekten werden – wie Menschen oder Fahrzeuge – indem wir vorhersagen, wohin sie als nächstes gehen, um glattere, sicherere Pfade zu planen. Wir wollen die Drohne noch leichter und aerodynamischer machen – vielleicht mit besseren Motoren oder sleekerem Design – damit sie schneller fliegt und weniger Energie verbraucht. Wir schauen nach LiDAR-Upgrades für kleinere Objekte und weitere Distanzen. Außerdem erforschen wir Wege, die Software mit leistungsstarken Chips wie GPUs zu beschleunigen – was Türen öffnet für Unknown-Area-Exploration, Brückeninspektion, schnelle und sichere Paketlieferung.

Tech Briefs: Gibt es noch etwas, das Sie hinzufügen möchten, worauf ich nicht eingegangen bin?

Zhang: SUPERs Fähigkeit, in allen Bedingungen zu fliegen – Tag oder Nacht, durch dichte Wälder oder enge Räume – macht es besonders. Es kann sogar superdünne Hindernisse ausweichen, wie einen 2,5-Millimeter-Draht, den die meisten Drohnen nicht sehen. Das macht es bereit für Realwelt-Jobs, nicht nur Labortests. Zum Beispiel könnte es ein sich bewegendes Auto tracken oder ein eingestürztes Gebäude erkunden. Wir sind stolz, dass SUPER zeigt, wie Drohnen von Forschung zu tatsächlicher Hilfe für Menschen in harten Situationen übergehen können – wie Katastrophenhilfe oder Notfallresponse – und hoffen, es inspiriert mehr praktische Robotik-Lösungen.

Tech Briefs: Haben Sie Ratschläge für Forscher, die ihre Ideen zur Frucht bringen wollen (allgemein gesprochen)?

Zhang: Starten Sie mit einem echten Problem, das Menschen betrifft – wie Leben einfacher oder sicherer zu machen. Teamen Sie mit anderen, die unterschiedliche Skills haben – vielleicht jemand, der Hardware gut baut, ein anderer der coden kann, jemand der die praktische Seite kennt. Testen Sie Ideen früh und oft – Computersimulationen und Realweltexperimente, um Probleme zu spotten und zu fixen. Haben Sie keine Angst zu scheitern; jeder Test lehrt Sie etwas. Bleiben Sie geduldig und pushen Sie weiter, weil eine coole Idee in etwas zu verwandeln, das in der Realwelt funktioniert, Zeit, Hartnäckigkeit und viel Tweaking braucht.

Transkript

00:00:01 Vögel haben Menschen lange fasziniert mit ihrer Fähigkeit, bei hohen Geschwindigkeiten durch cluttered Environments zu navigieren bei bemerkenswert niedrigen Failure Rates. Ähnlich Micro Air Vehicles, unter den agilsten Maschinen, die Menschen geschaffen haben, halten das Potenzial, vogelähnliche agile Flüge zu erreichen. Während menschliche Experten vogelähnliche Agilität replizieren können, indem sie

00:00:24 High Speed und Safety in autonomen Flügen balancieren, bleibt eine Herausforderung. Aktuelle Ansätze opfern oft Safety für Speed oder vice versa. Das wirft eine kritische Frage auf: Wie können autonome MAVs sowohl High-Speed als auch sichere Flüge in unbekannten Realwelt-Umgebungen erreichen? Introducing SUPER, ein Safety-Assured High-Speed Aerial

00:00:51 Robot. SUPER ist kompakt mit 280 mm Radstand und 1,5 kg Startgewicht, erreicht Thrust-Weight-Ratio > 5,0. Ausgestattet mit 360° LiDAR, detektiert Objekte bis 70 m bei Pointrate > 200.000 Hz. Mit Advanced LiDAR-basierter Perception, Safety-Assured Planning und Optimal

00:01:20 Control Modules navigiert SUPER unbekannte Umgebungen bei > 20 m/s, verlassend sich vollständig auf Onboard-Sensing und -Computation. Es manövriert wendig durch extrem cluttered Environments bei High Speed ohne Safety-Kompromisse. Mit Advanced LiDAR Perception kann SUPER effizient

00:01:51 dünne Hindernisse wie Stromleitungen detektieren und vermeiden. Es kann Objekte < 2,5 mm in nur 20 Millisekunden identifizieren – präzise Navigation durch challenging Environments, die State-of-the-Art Vision-basierte kommerzielle Produkte vor große Schwierigkeiten stellen. Der aktive Detektionsmechanismus des LiDAR ermöglicht SUPER auch

00:02:21 Rund-um-die-Uhr-Betrieb, sogar in totaler Dunkelheit. Dank dieser exceptionellen Capabilities wurde SUPER across various Real-World-Applications getestet: autonomes Erkunden antiker Sites, seamless Navigation Indoor/Outdoor, Traversieren dichter Wälder mit Safety-Garantien, Überwinden komplexer Obstacles. SUPERs Agilität erstreckt sich auf Object-Tracking-Missionen, erlaubt enges Folgen von Targets und Obstacle-Avoidance Indoor/Outdoor, Tag und Nacht. Mit High-Speed-Navigation, Safety-Assured Design und robuster Performance markiert SUPER einen

00:03:22 signifikanten Meilenstein beim Transition von High-Speed autonomer Navigation vom Labor in Realwelt-Anwendungen. Obwohl nicht perfekt, hoffen Forscher, dass SUPER neue Möglichkeiten in zukünftigen Realwelt-Szenarien erschließt – autonomes Delivery, Inspektion, Mapping, Search and Rescue.