För att få drönare att flyga runt komplicerade hinder i mörkret på egen hand, University of Cincinnati forskare vänder sig till proffsen.

Fladdermöss har utvecklats för att använda ljud och ekolokalisering för att navigera och hitta mat. Deras ekolod är så angelägen, faktiskt, att nektarälskande fladdermöss kan "upptäcka" sina favoritblommor i mörker med bara ljud.

Nu använder forskare vid UC:s College of Engineering and Applied Science denna superkraft för att förbättra dronenavigering och autonomi.

Drönare kan styras manuellt med siktlinje, videokameror, globala positioneringssatelliter och laserbaserad radar kallad LIDAR. UC har i flera år utvecklat autonoma drönare som förlitar sig på fuzzy logik och andra former av artificiell intelligens.

Men det senaste UC drone -projektet lägger till ett annat navigationsskikt:ljud. UC-professorn och fladdermusexperten Dieter Vanderelst vill ge drönare av alla slag den extra förmågan att observera och undvika hinder med ekolokalisering.

Forskare sa att detta är särskilt användbart i situationer där LIDAR och satellitsystem är mindre tillförlitliga, till exempel rökiga eller dammiga förhållanden i byggnader eller tunnlar.

"Problemet är utmanande eftersom inuti en byggnad, du har hinder i en mycket rörig miljö, "sa Manish Kumar, UC docent i rymdteknik. "Det obemannade flygfordonet kan navigera i rökiga eller dammiga förhållanden med hjälp av ekolod."

Vanderelst är unikt kvalificerad att lösa detta problem. Han studerade biologi och studerade fladdermöss och hur de navigerar i Israels klippiga Negev-öken. Han delar sin tid mellan ingenjörshögskolan och psykologi- och biologiavdelningarna vid UC:s McMicken College of Arts and Sciences.

"Det finns hundratals arter av fladdermöss och de har alla väldigt olika samtal vid olika frekvenser, Sa Vanderelst.

Leaf-nosed fladdermöss använder sina udda-formade tillägg för att förstärka och fokusera ljud med en konstant frekvens. Andra fladdermöss skapar en symfoni av chattare, som gör det möjligt för dem att hitta frukt eller blommor genom ljud.

"Intuitivt skulle man tro att en blomma är lätt att hitta eftersom den är färgglad och sticker ut från skogens gröna. Men färg betyder ingenting på natten, ", sa Vanderelst. "Deras förmåga att skanna bladen för att hitta blommor är antingen otrolig eller så saknar vi bara något som gör det enkelt. Vi kanske tittar på det från fel synvinkel."

Medan vårt binokulära seende ger oss en 210-graders panoramavy, Vanderelst sa att fladdermöss har ett mycket smalare detektionsfält med hjälp av en ljudstråle som sträcker sig mindre än 60 grader.

"Det är som att de viftar med en ficklampa framför sig för att hitta byten i mörkret, sa Vanderelst.

Fladdermöss är experter på det. Förutom att fånga mat i farten, fladdermöss kan hitta insekter och grodor som gömmer sig orörliga på löv.

För att förstå hur han kan översätta fladdermuskunskaper till en datordrönare, Vanderelst började i sitt UC-labb. Han byggde en robot.

"Jag är intresserad av att titta på hur fladdermöss aktivt använder ekolod för att ta sig runt i världen, "Vanderelst sa." Jag hoppas kunna övertyga människor om att vi kan använda ekolokalisering på mycket små drönare. "

Vanderelst designade sitt sensorsystem genom att ta ledtrådar från naturen. Först, han använde en 3D-skrivare för att återge huvuden på små bladnosade fladdermöss som en referensguide. Hans robots mikrofoner efterliknar formen och konturen av fladdermusöron, placerad något förskjutet på robotramen på ungefär samma sätt som en ugglas öron är asymmetriska på skallen. Detta hjälper nattjägarna att komma in på byten i totalt mörker med enbart ljud.

Storleken på en Yorkshire terrier, den röda trehjuliga roboten har en rad ultraljudshögtalare och mikrofoner som kan avge toner eller pulser av ljud och sensorer för att upptäcka reflektion eller eko. Precis som inga två fågelarter låter lika, fladdermöss gör kvitter av unika frekvenser och varaktighet också.

Robotens fladdermusliknande chirps sträcker sig från 25 till 75 kilohertz, men Vanderelst sa att 50 är den söta platsen. För att fånga ekolokaliseringsförmågan hos fladdermöss, en drönare måste vara nästan lika akrobatisk.

"En fladdermus vänder huvudet först för att se vart den vill flyga och kroppen följer efter, "Sa Vanderelst." Fladdermöss ändrar ständigt fokus på vad de tittar på, så min robot måste kunna styra dit den letar så att den kan göra detsamma. "

Vanderelst sa att de lärdomar han lär sig att få en robot att navigera självständigt i två dimensioner på marken kommer att översättas till en drönare som arbetar i tredimensionell rymd. Han föreställer sig en drönare som spänner sina "öron" oberoende av varandra för att navigera med precision i trånga gränser som fladdermöss gör.

"Att flyga en drönare är en mycket teknisk färdighet. Operatören måste koncentrera sig mycket hårt för att inte krascha in i någonting, ", sa Vanderelst. "Och om drönarens kameror misslyckas för att det är mörkt eller dammigt, det skulle vara bra att ha en autopilot som styr dig bort från hinder med hjälp av ekolokalisering."

Projektet fångade uppmärksamheten hos det amerikanska departementet för inrikessäkerhet, som är intresserad av att utforska applikationer, UC:s Kumar sa.

Kumar föreställer sig en drönare som kan flyga autonomt in i ett okänt område medan den skannar och kartlägger gränserna för 3D-utrymmet för användning av avlägsna mänskliga observatörer. Detta skulle vara värdefullt för SWAT-team eller räddningsarbetare i situationer där att skicka in en person för att spana in en plats kan innebära risk för liv.

"Det är där Dieters fladdermusinspirerade drönare kommer att hjälpa oss, " sa Kumar.