Autonoma drönare är försiktiga när de navigerar i det okända. De kryper fram, kartlägger ofta okända områden innan de fortsätter så att de inte kraschar in i oupptäckta föremål. Men denna avmattning är inte idealisk för drönare som utför tidskänsliga uppgifter, som att flyga sök- och räddningsuppdrag genom täta skogar.

Nu har MIT-forskare utvecklat en banaplaneringsmodell som hjälper drönare att flyga i höga hastigheter genom tidigare outforskade områden, samtidigt som du är säker.

Modellen – det passande namnet "FASTER" – uppskattar den snabbaste möjliga vägen från en startpunkt till en destinationspunkt över alla områden som drönaren kan och inte kan se, utan hänsyn till säkerheten. Men, när drönaren flyger, modellen loggar kontinuerligt kollisionsfria "back-up" -vägar som avviker något från den snabba flygvägen. När drönaren är osäker på ett visst område, den avviker längs back-up-banan och omdirigerar sin väg. Drönaren kan alltså kryssa i höga hastigheter längs den snabbaste banan samtidigt som den saktar ner något för att säkerställa säkerheten.

"Vi vill alltid köra den snabbaste vägen, men vi vet inte alltid att det är säkert. Om, när vi rör oss längs denna snabbaste väg, vi upptäcker att det finns ett problem, vi måste ha en reservplan, säger Jesus Tordesillas, en doktorand vid Institutionen för Aeronautics and Astronautics (AeroAstro) och första författare på ett papper som beskriver modellen som presenteras vid nästa månads internationella konferens om intelligenta robotar och system. "Vi får en bana med högre hastighet som kanske inte är säker och en bana med långsam hastighet som är helt säker. De två banorna sys ihop först, men då avviker den ena för prestanda och den andra för säkerheten."

I skogssimuleringar, där en virtuell drönare navigerar runt cylindrar som representerar träd, RASKARE drivna drönare genomförde säkert flygvägar ungefär två gånger snabbare än traditionella modeller. I verkliga tester, SNABBARE drönare som manövrerade runt kartonger i ett stort rum uppnådde hastigheter på 7,8 meter per sekund. Det tänjer på gränserna för hur snabbt drönarna kan flyga, baserat på vikt och reaktionstider, säger forskarna.

"Det är ungefär så fort du kan gå, " säger medförfattaren Jonathan How, Richard Cockburn Maclaurin professor i flygteknik och astronautik. "Om du stod i ett rum med en drönare som flög sju till åtta meter per sekund i det, du skulle förmodligen ta ett steg tillbaka."

Tidningens andra medförfattare är Brett T. Lopez, en före detta Ph.D. student i AeroAstro och nu postdoc vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory.

Dela stigar

Drönare använder kameror för att fånga miljön som voxlar, 3D-kuber genererade från djupinformation. När drönaren flyger, varje detekterad voxel märks som "fritt känt utrymme, "Oupptaget av föremål, och "ockuperat känt utrymme, " som innehåller objekt. Resten av miljön är "okänt utrymme."

FASTER använder alla dessa områden för att planera tre typer av banor - "hela, " "säker, " och "engagerad." Hela banan är hela vägen från startpunkt A till målplats B, genom kända och okända områden. Att göra så, "konvex nedbrytning, "en teknik som bryter ner komplexa modeller i diskreta komponenter, genererar överlappande polyeder som modellerar dessa tre områden i en miljö. Genom att använda vissa geometriska tekniker och matematiska begränsningar, modellen använder dessa polyeder för att beräkna en optimal hel bana.

Samtidigt, modellen planerar en säker bana. Någonstans längs hela banan, den ritar en "räddningspunkt" som indikerar det sista ögonblicket en drönare kan ta en omväg till obehindrat fritt känt utrymme, baserat på dess hastighet och andra faktorer. För att hitta en säker destination, den beräknar nya polyeder som täcker det fritt kända utrymmet. Sedan, den lokaliserar en plats inuti dessa nya polyeder. I grund och botten, drönaren stannar på en plats som är säker men så nära okänt utrymme som möjligt, möjliggör en mycket snabb och effektiv omväg.

Engagerad bana

Den engagerade banan består av det första intervallet av hela banan, liksom hela den säkra banan. Men detta första intervall är oberoende av den säkra banan, och därför påverkas den inte av den bromsning som behövs för den säkra banan.

Drönaren beräknar en hel bana åt gången, samtidigt som du alltid håller koll på den säkra banan. Men den har fått en tidsgräns:När den når räddningspunkten, den måste ha framgångsrikt beräknat nästa hela bana genom känt eller okänt utrymme. Om det gör det, den kommer att fortsätta följa hela banan. Annat, den avleder till den säkra banan. Detta tillvägagångssätt gör det möjligt för drönaren att upprätthålla höga hastigheter längs de engagerade banorna, vilket är nyckeln till att uppnå höga totala hastigheter.

För detta till allt arbete, forskarna utformade sätt för drönarna att bearbeta all planeringsdata mycket snabbt, vilket var utmanande. Eftersom kartorna är så varierande, till exempel, tidsgränsen som gavs för varje åtagande bana varierade till en början dramatiskt. Det var beräkningsmässigt dyrt och saktade ner drönarens planering, så forskarna utvecklade en metod för att snabbt beräkna fasta tider för alla intervall längs banorna, vilket förenklade beräkningar. Forskarna utformade också metoder för att minska hur många polyeder drönaren måste bearbeta för att kartlägga sin omgivning. Båda dessa metoder ökade planeringstiden dramatiskt.

"Hur man kan öka flyghastigheten och bibehålla säkerheten är ett av de svåraste problemen för drönarens rörelseplanering, " säger Sikang Liu, en mjukvaruingenjör på Waymo, tidigare Googles självkörande bilprojekt, och en expert på algoritmer för banplanering. "Detta arbete visade en utmärkt lösning på detta problem genom att förbättra det befintliga ramverket för bangenerering. I pipeline för banoptimering, tidsfördelningen är alltid ett knepigt problem som kan leda till konvergensproblem och oönskat beteende. Det här dokumentet tog upp detta problem genom ett nytt tillvägagångssätt ... som kan vara ett insiktsfullt bidrag till detta område."

Forskarna bygger för närvarande större RASKARE-drivna drönare med propellrar som är utformade för att möjliggöra stabil horisontell flygning. Traditionellt, drönare kommer att behöva rulla och kasta sig medan de flyger. Men denna anpassade drönare skulle förbli helt platt för olika applikationer.

En potentiell applikation för FASTER, som har utvecklats med stöd av amerikanska försvarsdepartementet, skulle kunna förbättra sök- och räddningsuppdrag i skogsmiljöer, som innebär många planerings- och navigeringsutmaningar för autonoma drönare. "Men det okända området behöver inte vara skog, " How säger. "Det kan vara vilket område som helst där du inte vet vad som kommer, och det spelar roll hur snabbt du skaffar dig den kunskapen. Den främsta motivationen är att bygga mer smidiga drönare."

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.