Att hitta vilsna vandrare i skog kan vara en svår och lång process, då helikoptrar och drönare inte kan få en skymt genom det tjocka trädkronan. Nyligen, det har föreslagits att autonoma drönare, som kan guppa och väva genom träd, kan hjälpa dessa sökningar. Men GPS-signalerna som används för att styra flygplanet kan vara opålitliga eller obefintliga i skogsmiljöer.

I ett dokument som presenteras vid International Symposium on Experimental Robotics-konferens nästa vecka, MIT-forskare beskriver ett autonomt system för en flotta av drönare för att tillsammans söka under täta skogstak. Drönarna använder endast inbyggd beräkning och trådlös kommunikation – ingen GPS krävs.

Varje autonom quadrotor drönare är utrustad med laseravståndsmätare för positionsuppskattning, lokalisering, och vägplanering. När drönaren flyger runt, den skapar en individuell 3D-karta över terrängen. Algoritmer hjälper den att känna igen outforskade och redan sökta platser, så det vet när det är helt kartlagt ett område. En off-board markstation smälter samman individuella kartor från flera drönare till en global 3D-karta som kan övervakas av mänskliga räddare.

I en verklig implementering, men inte i det nuvarande systemet, drönarna skulle vara utrustade med objektdetektering för att identifiera en saknad vandrare. När den ligger, drönaren skulle märka vandrarens plats på den globala kartan. Människor kan sedan använda denna information för att planera ett räddningsuppdrag.

"Väsentligen, vi ersätter människor med en flotta av drönare för att göra sökdelen av sök-och-räddningsprocessen mer effektiv, " säger första författaren Yulun Tian, en doktorand vid Institutionen för flyg- och astronautik (AeroAstro).

Forskarna testade flera drönare i simuleringar av slumpmässigt genererade skogar, och testade två drönare i ett skogsområde inom NASA:s Langley Research Center. I båda experimenten, varje drönare kartlade ett ungefär 20 kvadratmeter stort område på cirka två till fem minuter och slog ihop sina kartor tillsammans i realtid. Drönarna presterade också bra över flera mätvärden, inklusive total hastighet och tid för att slutföra uppdraget, upptäckt av skogsfunktioner, och korrekt sammanslagning av kartor.

Utforska och kartlägga

På varje drönare, forskarna monterade ett LIDAR-system, som skapar en 2D-skanning av de omgivande hindren genom att skjuta laserstrålar och mäta de reflekterade pulserna. Detta kan användas för att upptäcka träd; dock, till drönare, enskilda träd verkar anmärkningsvärt lika. Om en drönare inte kan känna igen ett givet träd, den kan inte avgöra om den redan har utforskat ett område.

Forskarna programmerade sina drönare för att istället identifiera flera träds orienteringar, vilket är mycket mer utmärkande. Med denna metod, när LIDAR-signalen returnerar ett kluster av träd, en algoritm beräknar vinklarna och avstånden mellan träden för att identifiera det klustret. "Drones kan använda det som en unik signatur för att berätta om de har besökt det här området tidigare eller om det är ett nytt område, säger Tian.

Denna funktionsdetekteringsteknik hjälper markstationen att exakt slå samman kartor. Drönarna utforskar i allmänhet ett område i slingor, producerar skanningar allt eftersom. Markstationen övervakar kontinuerligt skanningarna. När två drönare går runt till samma kluster av träd, markstationen slår samman kartorna genom att beräkna den relativa transformationen mellan drönarna, och sedan sammansmälta de individuella kartorna för att bibehålla konsekventa orienteringar.

"Att beräkna den relativa transformationen talar om hur du ska anpassa de två kartorna så att det motsvarar exakt hur skogen ser ut, säger Tian.

I markstationen, robotisk navigeringsprogram som kallas "simultaneous localization and mapping" (SLAM) – som både kartlägger ett okänt område och håller reda på en agent inne i området – använder LIDAR-indata för att lokalisera och fånga drönarnas position. Detta hjälper den att smälta samman kartorna korrekt.

Slutresultatet är en karta med 3D-terrängfunktioner. Träd visas som block av färgade nyanser av blått till grönt, beroende på höjd. Outforskade områden är mörka men blir gråa när de kartläggs av en drönare. Programvara för vägplanering ombord säger åt en drönare att alltid utforska dessa mörka outforskade områden när den flyger runt. Att producera en 3D-karta är mer tillförlitligt än att bara fästa en kamera på en drönare och övervaka videoflödet, säger Tian. Överför video till en centralstation, till exempel, kräver mycket bandbredd som kanske inte är tillgänglig i skogsområden.

Effektivare sökning

En viktig innovation är en ny sökstrategi som låter drönarna utforska ett område mer effektivt. Enligt ett mer traditionellt tillvägagångssätt, en drönare skulle alltid söka närmast möjliga okända område. Dock, som kan vara i valfritt antal riktningar från drönarens nuvarande position. Drönaren flyger vanligtvis en kort sträcka, och stannar sedan för att välja en ny riktning.

"Det respekterar inte dynamiken hos drönare [rörelse], " säger Tian. "Den måste stanna och vända, så det betyder att det är väldigt ineffektivt när det gäller tid och energi, och du kan inte riktigt sätta fart."

Istället, forskarnas drönare utforskar det närmaste möjliga området samtidigt som de tar hänsyn till deras hastighet och riktning och bibehåller en konstant hastighet. Denna strategi – där drönaren tenderar att färdas i ett spiralmönster – täcker ett sökområde mycket snabbare. "I sök- och räddningsuppdrag, tid är mycket viktigt, säger Tian.

I tidningen, forskarna jämförde sin nya sökstrategi med en traditionell metod. Jämfört med den baslinjen, forskarnas strategi hjälpte drönarna att täcka betydligt mer område, flera minuter snabbare och med högre medelhastighet.

En begränsning för praktisk användning är att drönarna fortfarande måste kommunicera med en off-board markstation för kartsammanfogning. I deras utomhusexperiment, forskarna var tvungna att sätta upp en trådlös router som kopplade samman varje drönare och markstationen. I framtiden, de hoppas kunna designa drönarna för att kommunicera trådlöst när de närmar sig varandra, smälta ihop sina kartor, och sedan bryta kommunikationen när de separeras. Markstationen, isåfall, skulle endast användas för att övervaka den uppdaterade globala kartan.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.