Entrenando drones para volar rápido, incluso alrededor de los obstáculos más simples, es un ejercicio propenso a choques que puede hacer que los ingenieros reparen o reemplacen vehículos con frustrante regularidad.

Ahora, los ingenieros del MIT han desarrollado un nuevo sistema de entrenamiento de realidad virtual para drones que permite que un vehículo "vea" un rico, entorno virtual mientras vuela en un espacio físico vacío.

El sistema, que el equipo ha denominado "Gafas de vuelo, "podría reducir significativamente la cantidad de accidentes que experimentan los drones en las sesiones de entrenamiento reales. También puede servir como un banco de pruebas virtual para cualquier cantidad de entornos y condiciones en las que los investigadores quieran entrenar drones de vuelo rápido.

"Creemos que esto es un cambio de juego en el desarrollo de la tecnología de drones, para drones que van rápido, "dice Sertac Karaman, profesor asociado de aeronáutica y astronáutica en el MIT. "Si algo, el sistema puede hacer que los vehículos autónomos sean más receptivos, más rápido, y más eficiente ".

Karaman y sus colegas presentarán detalles de su sistema de entrenamiento virtual en la Conferencia Internacional IEEE sobre Robótica y Automatización la próxima semana. Los coautores incluyen a Thomas Sayre-McCord, Guerra de invierno, Amado Antonini, Jasper Arneberg, Austin Brown, Guilherme Cavalheiro, Dave McCoy, Sebastián Quilter, Fabián Riether, Ezra Tal, Yunus Terzioglu, y Luca Carlone del Laboratorio de Sistemas de Información y Decisiones del MIT, junto con Yajun Fang del Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial del MIT, y Alex Gorodetsky de Sandia National Laboratories.

Empujando fronteras

Karaman estaba inicialmente motivado por una nueva, robo-deporte extremo:carreras competitivas de drones, en el que drones teledirigidos, impulsado por jugadores humanos, intentar superarnos a través de un intrincado laberinto de ventanas, puertas y otros obstáculos. Karaman se preguntó:¿Se podría entrenar a un dron autónomo para volar con la misma rapidez? si no más rápido, que estos vehículos controlados por humanos, con mayor precisión y control?

"En los próximos dos o tres años, queremos participar en una competición de carreras de drones con un dron autónomo, y vencer al mejor jugador humano, "Karaman dice. Para hacerlo, el equipo tendría que desarrollar un régimen de entrenamiento completamente nuevo.

En la actualidad, entrenar drones autónomos es una tarea física:los investigadores vuelan drones en grandes terrenos de prueba cerrados, en el que a menudo cuelgan grandes redes para atrapar cualquier vehículo que se desplace. También instalaron accesorios, como ventanas y puertas, a través del cual un dron puede aprender a volar. Cuando los vehículos chocan, deben ser reparados o reemplazados, lo que retrasa el desarrollo y aumenta el costo de un proyecto.

Karaman dice que probar drones de esta manera puede funcionar para vehículos que no están destinados a volar rápido, como drones que están programados para mapear lentamente su entorno. Pero para los vehículos de vuelo rápido que necesitan procesar información visual rápidamente mientras vuelan por un entorno, es necesario un nuevo sistema de formación.

"En el momento en que desee hacer informática de alto rendimiento e ir rápido, incluso los cambios más mínimos que realice en su entorno harán que el dron se bloquee, "Dice Karaman." No se puede aprender en ese entorno. Si desea ampliar los límites sobre la rapidez con la que puede ir y calcular, necesitas algún tipo de entorno de realidad virtual ".

Gafas de vuelo

El nuevo sistema de entrenamiento virtual del equipo comprende un sistema de captura de movimiento, un programa de renderizado de imágenes, y electrónica que permite al equipo procesar rápidamente imágenes y transmitirlas al dron.

El espacio de prueba real, un gimnasio similar a un hangar en la nueva instalación de prueba de drones del MIT en el Edificio 31, está lleno de cámaras de captura de movimiento que rastrean la orientación del dron mientras está volando.

Con el sistema de renderizado de imágenes, Karaman y sus colegas pueden dibujar escenas fotorrealistas, como un apartamento tipo loft o una sala de estar, y transmita estas imágenes virtuales al dron mientras vuela a través de la instalación vacía.

"El dron volará en una habitación vacía, pero estará 'alucinando' un entorno completamente diferente, y aprenderá en ese entorno, "Karaman explica.

El dron puede procesar las imágenes virtuales a una velocidad de aproximadamente 90 fotogramas por segundo, aproximadamente tres veces más rápido de lo que el ojo humano puede ver y procesar las imágenes. Para habilitar esto, las placas de circuito personalizadas del equipo que integran un potente superordenador integrado, junto con una unidad de medida inercial y una cámara. Encajan todo este hardware en un pequeño Armazón de dron reforzado con fibra de carbono y nailon impreso en 3D.

Un curso intensivo

Los investigadores llevaron a cabo una serie de experimentos, incluido uno en el que el dron aprendió a volar a través de una ventana virtual de aproximadamente el doble de su tamaño. La ventana se colocó dentro de una sala de estar virtual. Mientras el dron voló en lo real, instalación de prueba vacía, los investigadores transmitieron imágenes de la escena de la sala de estar, desde la perspectiva del dron, de regreso al vehículo. Mientras el dron volaba a través de esta habitación virtual, los investigadores ajustaron un algoritmo de navegación, permitiendo que el dron aprenda sobre la marcha.

Más de 10 vuelos, el dron, volando a unos 2,3 metros por segundo (5 millas por hora), voló con éxito a través de la ventana virtual 361 veces, solo "chocar" contra la ventana tres veces, de acuerdo con la información de posicionamiento proporcionada por las cámaras de captura de movimiento de la instalación. Karaman señala que, incluso si el dron se estrelló miles de veces, no tendría un gran impacto en el costo o el tiempo de desarrollo, ya que se bloquea en un entorno virtual y no hace ningún contacto físico con el mundo real.

En una prueba final, el equipo configuró una ventana real en la instalación de prueba, y encendió la cámara a bordo del dron para permitirle ver y procesar su entorno real. Usando el algoritmo de navegación que los investigadores sintonizaron en el sistema virtual, el dron, más de ocho vuelos, pudo volar a través de la ventana real 119 veces, solo chocando o requiriendo intervención humana seis veces.

"Hace lo mismo en la realidad, ", Dice Karaman." Es algo para lo que lo programamos en el entorno virtual, cometiendo errores, despedazándose, Y aprendiendo. Pero no rompimos ninguna ventana real en este proceso ".

Dice que el sistema de entrenamiento virtual es muy maleable. Por ejemplo, los investigadores pueden canalizar sus propias escenas o diseños para entrenar drones, incluyendo detallado, Réplicas de edificios reales con mapas de drones, algo que el equipo está considerando hacer con el Stata Center del MIT. El sistema de entrenamiento también se puede utilizar para probar nuevos sensores, o especificaciones para sensores existentes, para ver cómo se comportarían en un dron de vuelo rápido.

"Podríamos probar diferentes especificaciones en este entorno virtual y decir:'Si construye un sensor con estas especificaciones, ¿Cómo ayudaría a un dron en este entorno? '', dice Karaman.

El sistema también se puede utilizar para entrenar drones para que vuelen de forma segura alrededor de los humanos. Por ejemplo, Karaman prevé dividir la instalación de prueba real en dos, con un dron volando por la mitad, mientras que un humano, vistiendo un traje de captura de movimiento, camina en la otra mitad. El dron "vería" al humano en la realidad virtual mientras vuela por su propio espacio. Si choca contra la persona, el resultado es virtual, e inofensivo.

"Un día, cuando tienes mucha confianza puedes hacerlo en realidad, y tener un dron volando alrededor de una persona mientras corre, de forma segura, "Dice Karaman." Hay muchos experimentos alucinantes que puedes hacer en todo este asunto de la realidad virtual. Tiempo extraordinario, mostraremos todas las cosas que puede hacer ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.