Китайские учёные из Чжэцзянского университета разработали систему управления, которая позволяет дронам-квадрокоптерам уверенно пролетать через очень узкие щели — всего 5 сантиметров шириной — даже если эти щели наклонены, движутся или стоят одна за другой. Главное преимущество новой технологии в том, что вся обработка происходит прямо на борту дрона, без необходимости в мощном внешнем компьютере или точном знании положения щели заранее.
Работа опубликована в журнале Science Robotics. Исследователи использовали подход, который сочетает бортовое зрение и данные собственных датчиков дрона с обучением с подкреплением.
Как дроны учатся летать через щели
Обычные дроны хорошо летают в открытом пространстве и огибают крупные препятствия, но в загромождённых помещениях, завалах или узких коридорах они часто теряются. Чтобы пролететь через узкую щель, квадрокоптеру нужно не просто лететь прямо — ему приходится на мгновение наклоняться и использовать асимметрию своей конструкции.
Учёные создали так называемые сенсомоторные политики — нейросетевые алгоритмы, которые напрямую преобразуют изображение с бортовой камеры и данные внутренних датчиков (ориентация, угловые скорости, ускорение) в команды моторам. Эти политики обучали методом обучения с подкреплением (reinforcement learning) в симуляции. Чтобы ускорить обучение и избежать «слепого» исследования пространства, начальные траектории генерировал классический модельный планировщик.
Благодаря тщательной проработке переноса из симуляции в реальность (sim-to-real) политика научилась стабильно и с высокой повторяемостью выполнять сложные манёвры.
Что показали испытания
В реальных экспериментах дрон успешно пролетал через прямоугольные щели с зазором всего 5 см, наклонённые под углом до 90 градусов, не зная заранее положения и ориентации щели. Политика справлялась и с щелями другой формы, и с движущимися щелями (хотя специально на движущихся целях не обучалась — дрон реагировал в реальном времени). Кроме того, дрон проходил целые «трассы» из нескольких последовательно расположенных узких щелей.
«Осторожная проработка переноса из симуляции в реальность позволила политике управлять квадрокоптером через узкие щели с малым зазором и высокой повторяемостью», — отмечают авторы в статье.
Новая технология может существенно расширить возможности дронов в реальных задачах. Такие дроны смогут проникать в завалы после землетрясений или обрушений, чтобы искать выживших, осматривать труднодоступные участки трубопроводов и промышленных объектов, исследовать частично обрушенные шахты, туннели и вентиляционные шахты.
В перспективе такие алгоритмы можно будет устанавливать на коммерческие дроны, делая их значительно более ловкими и способными работать в сложных, динамичных и загромождённых средах без постоянной помощи оператора или внешних вычислительных мощностей.
