Med hjälp av en ny typ av kameror, forskare från universitetet i Zürich har demonstrerat en flygande robot som kan upptäcka och undvika snabbt rörliga föremål. Ett steg mot drönare som kan flyga snabbare i tuffa miljöer, att åstadkomma mer på kortare tid.

Drönare kan göra många saker, men att undvika hinder är inte deras starkaste sida än – speciellt när de rör sig snabbt. Även om många flygande robotar är utrustade med kameror som kan upptäcka hinder, det tar vanligtvis från 20 till 40 millisekunder för drönaren att bearbeta bilden och reagera. Det kan tyckas snabbt, men det räcker inte att undvika en fågel eller en annan drönare, eller till och med ett statiskt hinder när själva drönaren flyger i hög hastighet. Detta kan vara ett problem när drönare används i oförutsägbara miljöer, eller när det är många av dem som flyger i samma område.

Reaktion på några millisekunder

För att lösa detta problem, forskare vid universitetet i Zürich har utrustat en quadcopter (en drönare med fyra propellrar) med speciella kameror och algoritmer som minskar dess reaktionstid ner till några millisekunder – tillräckligt för att undvika en boll som kastas mot den på kort avstånd. Resultaten, publiceras i tidskriften Vetenskapsrobotik , kan göra drönare mer effektiva i situationer som efterdyningarna av en naturkatastrof.

"För sök- och räddningsapplikationer, som efter en jordbävning, tiden är mycket kritisk, så vi behöver drönare som kan navigera så snabbt som möjligt för att kunna åstadkomma mer inom sin begränsade batteritid, " förklarar Davide Scaramuzza, som leder Robotics and Perception Group vid universitetet i Zürich samt NCCR Robotics Search and Rescue Grand Challenge. "Dock, genom att navigera snabba drönare är också mer utsatta för risken att kollidera med hinder, och ännu mer om dessa flyttar. Vi insåg att en ny typ av kamera, kallas Event Camera, passar perfekt för detta ändamål".

Händelsekameror har smarta pixlar

Traditionella videokameror, som de som finns i varje smartphone, arbeta genom att regelbundet ta ögonblicksbilder av hela scenen. Detta görs genom att exponera pixlarna i bilden samtidigt. Den här vägen, fastän, ett rörligt föremål kan endast detekteras efter att alla pixlar har analyserats av fordonsdatorn. Händelsekameror, å andra sidan, har smarta pixlar som fungerar oberoende av varandra. De pixlar som inte upptäcker några förändringar förblir tysta, medan de som ser en förändring i ljusintensiteten omedelbart skickar ut informationen. Detta betyder att endast en liten bråkdel av alla pixlar i bilden kommer att behöva bearbetas av den inbyggda datorn, påskyndar därför beräkningen mycket.

Händelsekameror är en ny innovation, och befintliga objektdetekteringsalgoritmer för drönare fungerar inte bra med dem. Så forskarna var tvungna att uppfinna sina egna algoritmer som samlar in alla händelser som spelats in av kameran under en mycket kort tid, subtraherar sedan effekten av drönarens egna rörelser – som vanligtvis står för de flesta förändringarna i vad kameran ser.

Endast 3,5 millisekunder att upptäcka inkommande objekt

Scaramuzza och hans team testade först kamerorna och algoritmerna ensamma. De kastade föremål av olika former och storlekar mot kameran, och mätte hur effektiv algoritmen var för att upptäcka dem. Framgångsfrekvensen varierade mellan 81 och 97 procent, beroende på föremålets storlek och kastavståndet, och systemet tog bara 3,5 millisekunder att upptäcka inkommande objekt.

Sedan började det allvarligaste testet:att sätta kameror på en riktig drönare, flyga den både inomhus och utomhus och kasta föremål direkt på den. Drönaren kunde undvika föremålen – inklusive en boll som kastades från tre meters avstånd och färdades i 10 meter per sekund – mer än 90 procent av tiden. När drönaren "visste" storleken på föremålet i förväg, en kamera räckte. När, istället, den var tvungen att möta föremål av varierande storlek, två kameror användes för att ge den stereoskopisk syn.

Enligt Scaramuzza, dessa resultat visar att händelsekameror kan öka hastigheten med vilken drönare kan navigera med upp till tio gånger, därmed utöka sina möjliga tillämpningar. "En dag kommer drönare att användas för en mängd olika applikationer, såsom leverans av varor, transport av människor, flygfilmografi och, självklart, Sök och rädda, " säger han. "Men att göra det möjligt för robotar att uppfatta och fatta beslut snabbare kan vara en spelförändring även för andra domäner där tillförlitlig detektering av inkommande hinder spelar en avgörande roll, såsom bilar, bra leverans, transport, brytning, och fjärrinspektion med robotar".

Nästan lika pålitlig som mänskliga piloter

I framtiden, teamet siktar på att testa detta system på en ännu smidigare quadrotor. "Vårt slutmål är att en dag få autonoma drönare att navigera lika bra som mänskliga drönarpiloter. För närvarande, i alla sök- och räddningsapplikationer där drönare är inblandade, människan har faktiskt kontroll. Om vi ​​kunde få autonoma drönare att navigera lika tillförlitliga som mänskliga piloter skulle vi kunna använda dem för uppdrag som faller utanför synfältet eller utanför räckhåll för fjärrkontrollen, " säger Davide Falanga, doktorsexamen student som är huvudförfattaren till artikeln.