Träna drönare för att flyga snabbt, runt även de enklaste hindren, är en kraschbenägen övning som kan få ingenjörer att reparera eller byta ut fordon med frustrerande regelbundenhet.

Nu har MIT-ingenjörer utvecklat ett nytt virtual reality-utbildningssystem för drönare som gör det möjligt för ett fordon att "se" ett rikt, virtuell miljö medan du flyger i ett tomt fysiskt utrymme.

Systemet, som laget har kallat "Flight Goggles, "kan avsevärt minska antalet kraschar som drönare upplever vid faktiska träningspass. Det kan också fungera som en virtuell testbädd för alla miljöer och förhållanden där forskare kanske vill träna snabbflygande drönare.

"Vi tror att detta är en spelväxlare i utvecklingen av drönarteknik, för drönare som går fort, "säger Sertac Karaman, docent i luftfart och astronautik vid MIT. "Om något, systemet kan göra autonoma fordon mer lyhörda, snabbare, och mer effektivt. "

Karaman och hans kollegor kommer att presentera detaljer om sitt virtuella utbildningssystem vid IEEE International Conference on Robotics and Automation nästa vecka. Medförfattare inkluderar Thomas Sayre-McCord, Winter Guerra, Amado Antonini, Jasper Arneberg, Austin Brown, Guilherme Cavalheiro, Dave McCoy, Sebastian Quilter, Fabian Riether, Ezra Tal, Yunus Terzioglu, och Luca Carlone från MIT:s laboratorium för informations- och beslutssystem, tillsammans med Yajun Fang från MIT:s datavetenskap och artificiella intelligenslaboratorium, och Alex Gorodetsky från Sandia National Laboratories.

Flytta gränser

Karaman motiverades inledningsvis av en ny, extrem robosport:tävlingsdrönare, där fjärrstyrda drönare, drivs av mänskliga spelare, försöka flyga ut varandra genom en invecklad labyrint av fönster, dörrar, och andra hinder. Karaman undrade:Kan en autonom drönare utbildas för att flyga lika snabbt, om inte snabbare, än dessa mänskligt kontrollerade fordon, med ännu bättre precision och kontroll?

"Under de kommande två eller tre åren, vi vill delta i en dröneringstävling med en autonom drönare, och slå den bästa mänskliga spelaren, "Säger Karaman. För att göra det, laget skulle behöva utveckla en helt ny träningsplan.

För närvarande, utbildning av autonoma drönare är en fysisk uppgift:Forskare flyger drönare i stora, slutna testplatser, där de ofta hänger stora nät för att fånga upp alla vårdande fordon. De satte också upp rekvisita, som fönster och dörrar, genom vilken en drönare kan lära sig att flyga. När fordon kraschar, de måste repareras eller bytas ut, vilket försenar utvecklingen och ökar ett projekts kostnad.

Karaman säger att testning av drönare på detta sätt kan fungera för fordon som inte är avsedda att flyga snabbt, som drönare som är programmerade för att långsamt kartlägga sin omgivning. Men för snabbtflygande fordon som behöver bearbeta visuell information snabbt när de flyger genom en miljö, ett nytt utbildningssystem är nödvändigt.

"I det ögonblick du vill göra datorer med hög kapacitet och gå snabbt, även de minsta förändringar du gör i sin omgivning kommer att få drönaren att krascha, "Säger Karaman." Du kan inte lära dig i den miljön. Om du vill skjuta gränser för hur snabbt du kan gå och beräkna, du behöver någon slags virtual reality-miljö. "

Flygglasögon

Teamets nya virtuella träningssystem består av ett motion capture -system, ett bildåtergivningsprogram, och elektronik som gör att teamet snabbt kan bearbeta bilder och överföra dem till drönaren.

Det faktiska testutrymmet-ett hangarliknande gym i MIT:s nya drönartestningsanläggning i byggnad 31-är kantat med rörelsefångande kameror som spårar drönarens orientering när den flyger.

Med bildåtergivningssystemet, Karaman och hans kollegor kan skapa fotorealistiska scener, såsom en loftlägenhet eller ett vardagsrum, och stråla dessa virtuella bilder till drönaren när den flyger genom den tomma anläggningen.

"Drönaren kommer att flyga i ett tomt rum, men kommer att 'hallucinera' en helt annan miljö, och kommer att lära sig i den miljön, "Förklarar Karaman.

De virtuella bilderna kan bearbetas av drönaren med en hastighet av cirka 90 bilder per sekund - cirka tre gånger så snabbt som det mänskliga ögat kan se och bearbeta bilder. För att aktivera detta, teamets specialbyggda kretskort som integrerar en kraftfull inbäddad superdator, tillsammans med en tröghetsmätningsenhet och en kamera. De passar all denna hårdvara i en liten, 3D-tryckt nylon- och kolfiberförstärkt drone-ram.

En kraschkurs

Forskarna genomförde en uppsättning experiment, inklusive en där drönaren lärde sig flyga genom ett virtuellt fönster ungefär dubbelt så stort. Fönstret sattes i ett virtuellt vardagsrum. När drönaren flög in i själva verket, tom testanläggning, forskarna strålade bilder av vardagsrumsscenen, ur drönarens perspektiv, tillbaka till bilen. När drönaren flög genom detta virtuella rum, forskarna ställde in en navigeringsalgoritm, gör att drönaren kan lära sig direkt.

Över 10 flygningar, drönaren, flyger med cirka 2,3 meter per sekund (5 miles per timme), flög framgångsrikt genom det virtuella fönstret 361 gånger, bara "kraschar" i fönstret tre gånger, enligt positionsinformation från anläggningens kameror för rörelseupptagning. Karaman påpekar att även om drönaren kraschade tusentals gånger, det skulle inte påverka kostnaden eller tid för utveckling mycket, eftersom det kraschar i en virtuell miljö och inte tar någon fysisk kontakt med den verkliga världen.

I ett sista test, laget satte upp ett verkligt fönster i testanläggningen, och slog på drönarens inbyggda kamera för att kunna se och bearbeta sin faktiska omgivning. Med hjälp av navigationsalgoritmen som forskarna ställde in i det virtuella systemet, drönaren, över åtta flygningar, kunde flyga genom det riktiga fönstret 119 gånger, kraschar bara eller kräver mänsklig intervention sex gånger.

"Det gör samma sak i verkligheten, "Säger Karaman." Det är något vi programmerade det att göra i den virtuella miljön, genom att göra misstag, faller isär, och lärande. Men vi krossade inga faktiska fönster i den här processen. "

Han säger att det virtuella träningssystemet är mycket formbart. Till exempel, forskare kan pipa in sina egna scener eller layouter för att träna drönare, inklusive detaljerad, drönekartade kopior av faktiska byggnader-något teamet funderar på att göra med MIT:s Stata Center. Träningssystemet kan också användas för att testa nya sensorer, eller specifikationer för befintliga sensorer, för att se hur de kan hantera en snabbflygande drönare.

"Vi kan prova olika specifikationer i denna virtuella miljö och säga, 'Om du bygger en sensor med dessa specifikationer, hur skulle det hjälpa en drönare i den här miljön? säger Karaman.

Systemet kan också användas för att träna drönare att flyga säkert runt människor. Till exempel, Karaman ser för sig att dela den faktiska testanläggningen i två, med en drönare som flyger i ena halvan, medan en människa, iklädd en motion-capture-kostym, promenader i andra halvan. Drönaren skulle "se" människan i virtual reality när den flyger runt i sitt eget utrymme. Om det stöter på personen, resultatet är virtuellt, och ofarligt.

"En dag, när du är riktigt säker, du kan göra det i verkligheten, och få en drönare att flyga runt en person medan de springer, på ett säkert sätt, "Säger Karaman." Det finns många experiment som du kan tänka på i hela den här virtuella verkligheten. Över tid, vi kommer att visa upp allt du kan göra. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.