Tại phòng thí nghiệm robot của Học viện Bách khoa Worcester (WPI), họ đang thử nghiệm máy bay không người lái nhỏ dựa trên định vị bằng sóng âm Những chiếc máy bay không người lái hình dơi này được thiết kế để hoạt động ở những nơi tầm nhìn bị hạn chế: trong bóng tối, khói dày đặc hoặc bão. Những chiếc máy bay nhỏ bằng lòng bàn tay này được nhắm đến nhiệm vụ tìm kiếm và cứu nạn trong những tình huống hiện tại rất phức tạp đối với các mô hình kinh doanh.
Nhóm nghiên cứu do Nitin Sanket, phó giáo sư kỹ thuật robot tại WPI, dẫn đầu, bắt đầu từ một thực tế rất phổ biến trong các trường hợp khẩn cấp: Thảm họa đã cắt nguồn cung cấp điện Và nhiều hoạt động diễn ra vào ban đêm. Đó là lý do tại sao họ lấy cảm hứng từ thiên nhiên để tạo ra những nền tảng bay bằng "tai" thay vì dựa vào camera, được tăng cường bằng các thuật toán điều hướng và điều khiển công suất thấp.
Định vị bằng sóng âm hoạt động như thế nào trên những máy bay không người lái siêu nhỏ này?
Nguyên mẫu sử dụng một cảm biến siêu âm Nó đơn giản, tương tự như vòi nước tự động, phát ra xung và đo tiếng vang để suy ra khoảng cách và tránh va chạm. Nguyên lý này, liên quan đến nguyên lý được sử dụng bởi loài dơi, cho phép nó phát hiện chướng ngại vật trong suốt hoặc độ tương phản thấp, khi đó máy ảnh sẽ không chụp được ảnh đẹp.
Trong các cuộc trình diễn trong phòng thí nghiệm, máy bay không người lái đầu tiên được phóng trong điều kiện ánh sáng xung quanh và sau đó là trong điều kiện ánh sáng yếu. một ánh sáng đỏ mờcũng như sương mù và tuyết nhân tạo. Khi đến gần bức tường plexiglass, hệ thống liên tục phanh và lùi, chứng tỏ tiếng vang âm thanh đủ để điều khiển an toàn.
Một trong những trở ngại là tiếng ồn của cánh quạtĐiều này làm nhiễu tín hiệu siêu âm. Để giảm thiểu vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã thiết kế vỏ máy in 3D giúp giảm nhiễu và định hướng chùm âm thanh, cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu trong quá trình bay.
Đội bổ sung khía cạnh vật lý với trí tuệ nhân tạo để lọc và phân loại tiếng vang theo thời gian thực. Các mô hình này giúp phân biệt các phản xạ liên quan với nhiễu và báo động giả, một yếu tố quan trọng nếu bạn muốn mở rộng quy mô sang các nhiệm vụ phức tạp hơn mà không làm tăng mức tiêu thụ năng lượng.
Từ nguyên mẫu đến bầy đàn tự động
Ngoài chuyến bay cơ bản, các nhà nghiên cứu đang tìm cách chuyển từ điều khiển bằng tay để triển khai hợp tác. Ý tưởng là một số máy bay không người lái phân chia địa hình, học hỏi từ những gì các máy bay khác nhìn thấy (hoặc nghe thấy), và tự đưa ra quyết định về vị trí tiếp tục tìm kiếm, với con người đóng vai trò giám sát chiến lược.
Theo hướng đó, Ryan Williams, phó giáo sư tại Đại học Virginia Tech, đã nghiên cứu lập trình máy bay không người lái có khả năng phối hợp quỹ đạo với các đội cứu hộ. Nhóm của ông đã sử dụng dữ liệu lịch sử từ hàng ngàn trường hợp của những người mất tích để mô phỏng cách một người bị lạc trong rừng di chuyển và do đó ưu tiên các khu vực tìm kiếm có khả năng xảy ra cao nhất.
Với các mô hình này, hệ thống sẽ định vị máy bay không người lái ở những khu vực có khả năng cao hơn và điều chỉnh mô hình tìm kiếm dựa trên thông tin mới. Sự kết hợp của lập kế hoạch đường đi Và các cảm biến "âm thanh" mở ra cánh cửa cho các giải pháp hoạt động ngay cả khi không có GPS đáng tin cậy hoặc tầm nhìn rõ ràng.
Mục tiêu cuối cùng, các nhóm thừa nhận, là để quyền tự chủ không còn chỉ mang tính biểu tượng nữa. Ngày nay, việc triển khai máy bay không người lái thực sự tự động Nó rất khan hiếm trong các hoạt động cứu hộ; thách thức nằm ở việc chứng minh tính an toàn, độ bền và khả năng truy xuất nguồn gốc của các quyết định để sử dụng trong hoạt động.
Ứng dụng và phạm vi hoạt động
Những năm gần đây đã có nhiều ví dụ về việc sử dụng máy bay không người lái trong các hoạt động cứu hộ: lũ lụt ở PakistanMột trường hợp ở California sau hai ngày tìm kiếm dưới thác nước, hoặc vị trí tuyến đường an toàn cho ba thợ mỏ bị mắc kẹt ở Canada. Đó là những hệ thống thông thường, nhưng phương pháp của WPI nhằm mục đích lấp đầy những khoảng trống mà tầm nhìn bị hạn chế và thời gian Đó là tất cả mọi thứ.
Nếu những công nghệ này trưởng thành, dịch vụ khẩn cấp trong Châu Âu và Tây Ban Nha Chúng có thể hữu ích trong các tình huống liên quan đến khói, bụi, tuyết hoặc nội thất phức tạp, chẳng hạn như tòa nhà công nghiệp, đường hầm hoặc các công trình xuống cấp. Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh, chìa khóa là giữ chi phí thấp và tiết kiệm năng lượng để có thể triển khai nhiều thiết bị cùng lúc.
Để tạo điều kiện thuận lợi cho việc áp dụng, nguyên mẫu WPI dựa vào các thành phần của cấp độ sở thích và thiết kế nhỏ gọn giúp giảm tổng chi phí. Phần cứng càng phải chăng thì việc đưa những "con dơi" silicon này vào danh mục bảo vệ dân sự càng dễ dàng.
Những gì còn phải giải quyết
Thiên nhiên đặt ra tiêu chuẩn cao. Một con dơi có khả năng phân biệt tiếng vang bằng cách chọn lọc những gì nó nghe được và phát hiện các vật thể nhỏ như sợi tóc từ khoảng cách vài mét. Máy bay không người lái vẫn còn kém xa độ nhạy và khả năng chọn lọc đó, cả về phần cứng lẫn khả năng xử lý.
Dự án WPI, có một khoản tài trợ từ Quỹ Khoa học Quốc giaTiến độ đang được thực hiện từng bước: cải thiện vỏ bọc, tinh chỉnh bộ lọc tín hiệu, tối ưu hóa mức tiêu thụ điện năng và tăng cường khả năng dẫn đường. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức, chẳng hạn như tiếng ồn động cơ, năng lượng có sẵn trong các định dạng nhỏ như vậy và việc xác thực trong môi trường thực tế với các điều kiện thay đổi.
Song song với đó, hệ sinh thái học thuật đang khám phá cách tích hợp học tập dữ liệu tìm kiếm thực tế và phối hợp với các nhóm nhân viên trên thực địa. Sự hội tụ giữa cảm biến âm thanh và thị giác khi có thể và các mô hình chuyển động có thể đẩy nhanh bước nhảy vọt từ bằng chứng khái niệm sang triển khai.
Bức tranh được vẽ nên bởi những tiến bộ này rất rõ ràng: máy bay không người lái siêu nhỏ có "tai"Tiết kiệm chi phí và hiệu quả, những chiếc máy bay không người lái này có thể đảm nhiệm ca đêm cho hoạt động tìm kiếm cứu nạn và hoạt động theo bầy đàn ở những nơi tầm nhìn bị hạn chế. Công tác kỹ thuật và quản lý vẫn còn nhiều vướng mắc, nhưng con đường mà WPI và Virginia Tech vạch ra đã mở ra một phương pháp thực tế để vận hành an toàn trong bóng tối, khói bụi hoặc bão tố.
