Инженеры из Делфтского технического университета в Нидерландах разработали необычную систему навигации для миниатюрных беспилотников. Вместо камер, лазерных дальномеров и сложных вычислительных алгоритмов она использует искусственные усы, позволяющие аппарату буквально ощупывать окружающее пространство. Такая технология может оказаться особенно полезной там, где традиционные датчики плохо справляются со своей задачей: в полной темноте, задымленных помещениях и узких проходах.
Идея позаимствована у природы. Грызуны, например крысы и мыши, прекрасно передвигаются в темных норах и тесных пространствах благодаря чувствительным усам. Теперь похожий механизм помогает ориентироваться воздушным роботам, масса которых составляет менее 100 граммов.
Как работают искусственные усы для дронов?
У современных беспилотников есть целый арсенал средств навигации: камеры, лидары и другие датчики, определяющие расстояние до препятствий. Однако для крошечных аппаратов все эти устройства создают серьезную проблему. Они добавляют вес, расходуют энергию и требуют вычислительных ресурсов, которых у миниатюрных дронов попросту мало.
Исследователи из Делфтского технического университета предложили альтернативу — легкие искусственные усы из нитинола, сплава никеля и титана с эффектом памяти формы. Каждый такой элемент имеет длину около 200 мм и весит всего 3,2 грамма.
На передней части дрона закреплены два гибких усика. У основания каждого расположены три миниатюрных датчика давления. Когда ус касается поверхности или изгибается при соприкосновении с препятствием, датчики фиксируют изменение давления. По этим сигналам бортовой компьютер определяет место контакта и оценивает расстояние до поверхности с миллиметровой точностью.
На обработку сигнала уходит менее двух миллисекунд. Этого достаточно, чтобы беспилотник мог оперативно реагировать на прикосновения и корректировать траекторию полета.
По сути, аппарат получает новый способ восприятия пространства: вместо того чтобы видеть препятствие издалека, он обнаруживает его при легком касании. Такой подход называется тактильной навигацией.
Как дрон отличает прикосновения от вибраций?
У технологии есть непростая техническая особенность. В полете беспилотник постоянно вибрирует, а его пропеллеры создают воздушные потоки. Все это влияет на показания датчиков давления. Без дополнительной обработки электроника могла бы принимать собственные вибрации аппарата за прикосновения к стенам и другим объектам.
Чтобы избежать подобных ошибок, команда разработала специальную систему обработки сигналов. Программные алгоритмы отделяют полезную информацию о контакте с поверхностью от помех, вызванных работой пропеллеров, и компенсируют постепенный дрейф показаний датчиков.
При этом программное обеспечение исключительно компактно: весь вычислительный конвейер тактильного восприятия использует всего 34 Кбайт памяти. Это особенно важно для небольших автономных роботов, у которых ограничены и объем оперативной памяти, и вычислительная мощность.
«Мы хотели показать, что осязание не обязательно должно требовать больших размеров или значительных вычислительных ресурсов», — пояснил участник проекта Чаосян Е (Chaoxiang Ye).
Чему научились дроны с искусственными усами?
Во время испытаний исследователи продемонстрировали несколько возможностей новой системы.
Во-первых, дрон смог следовать вдоль поверхности в полной темноте, ориентируясь исключительно на тактильные сигналы. Во-вторых, он исследовал замкнутые пространства, двигался вдоль стен и собирал информацию об окружающей обстановке. Наконец, беспилотник смог составлять тактильные карты незнакомых помещений и находить выход, не полагаясь на зрительные датчики.
Руководитель исследовательской группы Салуа Хамаза (Salua Hamaza), доцент Делфтского технического университета, объясняет, что задача команды заключалась не в том, чтобы научить дрон манипулировать предметами в воздухе, а в том, чтобы дать ему возможность исследовать незнакомую среду посредством прикосновений.
Результаты исследования опубликованы в научном журнале Nature Communications.
Где пригодится такая технология?
Главная область применения — поисково-спасательные операции. После землетрясений, обрушений зданий или пожаров спасателям необходимо обследовать помещения, куда опасно или невозможно отправить человека. Миниатюрный дрон способен проникнуть в узкую щель и исследовать пространство за завалами.
Но именно в таких условиях обычные системы навигации часто теряют эффективность. Дым, пыль и отсутствие освещения мешают камерам, а прозрачные или отражающие поверхности могут создавать трудности для оптических датчиков и дальномеров.
Искусственные усы позволяют частично обойти эти ограничения. Беспилотнику не нужно получать четкое изображение помещения: достаточно осторожно касаться стены, следовать вдоль нее и фиксировать изменения окружающей геометрии.
Подобный принцип может пригодиться и при обследовании технических тоннелей, подземных коммуникаций, узких полостей и других труднодоступных мест.
Ограничения: почему дрон не сможет летать вслепую где угодно
Несмотря на перспективность разработки, у нее есть существенные ограничения. Искусственные усы обнаруживают препятствия только в пределах собственной длины — около 20 сантиметров. Следовательно, аппарат должен двигаться осторожно: если он летит слишком быстро, то может столкнуться с объектом раньше, чем ус успеет его обнаружить.
Есть и другая проблема. Поскольку датчики расположены спереди, система не обеспечивает полноценного обнаружения препятствий по бокам. Например, дрону будет сложно заметить выступающую ветку или другой объект, который окажется вне зоны контакта усов.
Поэтому технология лучше всего подходит для относительно упорядоченных пространств с непрерывными поверхностями — например, тоннелей и узких коридоров. Двигаясь вдоль стены, беспилотник может использовать ее как ориентир, подобно человеку, который в темноте ощупывает путь тростью.
В перспективе тактильная навигация может стать дополнением к камерам и другим датчикам, повышая надежность автономных роботов там, где зрение оказывается бесполезным. А для самых маленьких дронов она способна превратиться в самостоятельный способ ориентирования, не требующий тяжелого оборудования и мощного бортового компьютера.
