Los drones autónomos son cautelosos cuando navegan por lo desconocido. Se arrastran hacia adelante frecuentemente mapeando áreas desconocidas antes de continuar para que no choquen con objetos no detectados. Pero esta desaceleración no es ideal para drones que realizan tareas urgentes, como volar misiones de búsqueda y rescate a través de densos bosques.

Ahora, los investigadores del MIT han desarrollado un modelo de planificación de trayectorias que ayuda a los drones a volar a altas velocidades a través de áreas previamente inexploradas. mientras se mantiene a salvo.

El modelo, acertadamente llamado "MÁS RÁPIDO", calcula la ruta más rápida posible desde un punto de partida hasta un punto de destino en todas las áreas que el dron puede y no puede ver. sin tener en cuenta la seguridad. Pero, como vuela el dron, el modelo registra continuamente rutas de "respaldo" sin colisiones que se desvían ligeramente de esa ruta de vuelo rápida. Cuando el dron no está seguro de un área en particular, se desvía por el camino de respaldo y desvía su camino. Por lo tanto, el dron puede navegar a altas velocidades a lo largo de la trayectoria más rápida y, en ocasiones, reducir la velocidad ligeramente para garantizar la seguridad.

"Siempre queremos ejecutar el camino más rápido, pero no siempre sabemos que es seguro. Si, a medida que avanzamos por este camino más rápido, descubrimos que hay un problema, necesitamos tener un plan de respaldo, "dice Jesús Tordesillas, estudiante de posgrado en el Departamento de Aeronáutica y Astronáutica (AeroAstro) y primer autor de un artículo que describe el modelo que se presentará en la Conferencia Internacional sobre Robots y Sistemas Inteligentes del próximo mes. "Obtenemos una trayectoria de mayor velocidad que puede no ser segura y una trayectoria de baja velocidad que es completamente segura. Las dos trayectorias están unidas al principio, pero luego uno se desvía por rendimiento y el otro por seguridad ".

En simulaciones forestales, donde un dron virtual navega alrededor de cilindros que representan árboles, Los drones con MÁS RÁPIDO completaron de manera segura las rutas de vuelo aproximadamente dos veces más rápido que los modelos tradicionales. En pruebas de la vida real, Los drones MÁS RÁPIDOS que maniobraban alrededor de cajas de cartón en una gran sala alcanzaron velocidades de 7,8 metros por segundo. Eso está superando los límites de la rapidez con la que pueden volar los drones, basado en el peso y los tiempos de reacción, dicen los investigadores.

"Eso es lo más rápido que puedes ir, "dice el coautor Jonathan How, el profesor Richard Cockburn Maclaurin de Aeronáutica y Astronáutica. "Si estuvieras en una habitación con un dron volando de siete a ocho metros por segundo, probablemente darías un paso atrás ".

El otro coautor del artículo es Brett T. Lopez, un ex Ph.D. estudiante de AeroAstro y ahora un postdoctorado en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA.

Dividiendo caminos

Los drones usan cámaras para capturar el entorno como voxels, Cubos 3D generados a partir de información de profundidad. Mientras el dron vuela cada vóxel detectado se etiqueta como "espacio libre conocido, "desocupado por objetos, y "espacio conocido ocupado, "que contiene objetos. El resto del entorno es" espacio desconocido ".

MÁS RÁPIDO utiliza todas esas áreas para planificar tres tipos de trayectorias:"todo, " "a salvo, "y" comprometido ". Toda la trayectoria es la ruta completa desde el punto de partida A hasta la ubicación de la meta B, a través de áreas conocidas y desconocidas. Para hacerlo "descomposición convexa, "una técnica que descompone modelos complejos en componentes discretos, genera poliedros superpuestos que modelan esas tres áreas en un entorno. Usando algunas técnicas geométricas y restricciones matemáticas, el modelo utiliza estos poliedros para calcular una trayectoria completa óptima.

Simultaneamente, el modelo planea una trayectoria segura. En algún lugar a lo largo de toda la trayectoria, traza un punto de "rescate" que indica el último momento en que un dron puede desviarse hacia un espacio libre conocido sin obstrucciones, en función de su velocidad y otros factores. Para encontrar un destino seguro calcula nuevos poliedros que cubren el espacio libre conocido. Luego, localiza un lugar dentro de estos nuevos poliedros. Básicamente, el dron se detiene en un lugar seguro pero lo más cerca posible de un espacio desconocido, permitiendo un desvío muy rápido y eficiente.

Trayectoria comprometida

La trayectoria comprometida consiste en el primer intervalo de toda la trayectoria, así como toda la trayectoria segura. Pero este primer intervalo es independiente de la trayectoria segura, y por lo tanto no se ve afectado por el frenado necesario para la trayectoria segura.

El dron calcula una trayectoria completa a la vez, manteniendo siempre un registro de la trayectoria segura. Pero tiene un límite de tiempo:cuando llega al punto de rescate, debe haber calculado con éxito la siguiente trayectoria completa a través del espacio conocido o desconocido. Si lo hace, seguirá siguiendo toda la trayectoria. De lo contrario, se desvía a la trayectoria segura. Este enfoque permite que el dron mantenga altas velocidades a lo largo de las trayectorias comprometidas, que es clave para lograr altas velocidades generales.

Para que todo esto funcione, los investigadores diseñaron formas para que los drones procesen todos los datos de planificación muy rápidamente, que fue un desafío. Debido a que los mapas son tan variados, por ejemplo, el límite de tiempo dado a cada trayectoria comprometida inicialmente varió dramáticamente. Eso fue computacionalmente costoso y ralentizó la planificación del dron, por lo que los investigadores desarrollaron un método para calcular rápidamente tiempos fijos para todos los intervalos a lo largo de las trayectorias, que simplificó los cálculos. Los investigadores también diseñaron métodos para reducir la cantidad de poliedros que debe procesar el dron para mapear su entorno. Ambos métodos aumentaron drásticamente los tiempos de planificación.

"Cómo aumentar la velocidad de vuelo y mantener la seguridad es uno de los problemas más difíciles para la planificación del movimiento de los drones, "dice Sikang Liu, ingeniero de software en Waymo, anteriormente el proyecto de automóvil autónomo de Google, y experto en algoritmos de planificación de trayectorias. "Este trabajo mostró una gran solución a este problema al mejorar el marco de generación de trayectorias existente. En el proceso de optimización de trayectorias, la asignación de tiempo es siempre un problema delicado que podría conducir a problemas de convergencia y comportamientos no deseados. Este documento abordó este problema a través de un enfoque novedoso ... que podría ser una contribución reveladora a este campo ".

Actualmente, los investigadores están construyendo drones más grandes con propulsión FASTER con hélices diseñadas para permitir un vuelo horizontal estable. Tradicionalmente, los drones necesitarán rodar y cabecear mientras vuelan. Pero este dron personalizado se mantendría completamente plano para varias aplicaciones.

Una aplicación potencial para MÁS RÁPIDO, que ha sido desarrollado con el apoyo del Departamento de Defensa de EE. UU., podría estar mejorando las misiones de búsqueda y rescate en entornos forestales, que presentan muchos desafíos de planificación y navegación para drones autónomos. "Pero el área desconocida no tiene por qué ser bosque, "Cómo dice". Podría ser cualquier área en la que no sepa lo que se avecina, y es importante la rapidez con la que adquiere ese conocimiento. La principal motivación es construir drones más ágiles ".

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.