Навигационные способности маленьких дронов сильно ограничены из-за слабой вычислительной мощности их бортовых компьютеров. Чтобы решить эту проблему, ученые взяли за образец навигацию муравьев и других насекомых.
Проблемы навигации дронов
Микродроны могут использоваться для поиска выживших после стихийных бедствий, разведки опасных зон или даже опыления сельскохозяйственных культур. В большинстве случаев им потребуется автономно вылетать в определенную область, а затем возвращаться на базу.
На данный момент доступны два способа навигации для возвращения на базу: GPS на открытой местности и радиосвязь с маяками внутри помещений. Однако GPS не работает в зданиях, а маяки вряд ли будут заранее установлены во всех помещениях.
Для больших дронов возможно создание 3D-карт окружающей среды с помощью лидаров и систем компьютерного зрения во время полета. По этим картам они затем могут вернуться обратно. Но создание таких карт требует больших объемов памяти и обработки данных, чего не могут обеспечить микропроцессоры микродронов.
Ранее предлагалось, чтобы дроны просто делали серию снимков окружающей среды по пути. На обратном пути, при условии движения по тому же маршруту, они могли бы ориентироваться на эти снимки в обратном порядке. Однако, даже для такого метода требуется слишком много памяти для хранения снимков.
Чтобы значительно сократить это количество, ученые из Делфтского технического университета (TU Delft) в Нидерландах обратили внимание на муравьев и других насекомых.
Навигация насекомых
Муравьи делают мысленную карту местности по пути, но также считают количество шагов между этими ориентирами.
Этот процесс подсчета шагов, называемый одометрией, позволяет им обходиться гораздо меньшим количеством ориентиров, чем требовалось бы без него. Они просто сопоставляют свое окружение с одним ориентиром, делают запомненное количество шагов, затем переходят к следующему ориентиру. Эта процедура повторяется для каждого ориентира, пока насекомое не достигнет своего муравейника.
Команда TU Delft под руководством профессоров Тома ван Дейка и Гвидо де Крона применила тот же принцип к миниатюрному квадрокоптеру CrazyFlie весом 56 граммов, оснащенному всенаправленной камерой. Разумеется, летающие дроны не ходят, поэтому коптер не может считать шаги, как муравей.
«Для одометрии наш дрон делает то же самое, что и пчелы: он интегрирует движение, определяемое по оптическому потоку. Для этого у нашего робота есть небольшая камера, направленная вниз, которая отслеживает, как быстро объекты проходят в поле зрения», - рассказывает де Крон.
Более того, эта камера также отслеживает направление, в котором земля проходит под ней.
Во время обратного полета, как только дрон определяет, что он преодолел записанное расстояние/направление от одного сохраненного снимка, он сравнивает свое текущее изображение с камеры со следующим сохраненным снимком. Учитывая, что летательный аппарат неизбежно немного отклонится на обратном пути, он корректирует свой курс, пока два изображения почти полностью не совпадут.
«Предположим, что в поле зрения есть дерево, и оно больше на снимке, чем на текущем изображении. Тогда дрону нужно двигаться к этому дереву, поскольку оно тогда станет больше и на изображении с камеры», - объясняет де Крон.
Такой способ навигации позволил дрону автономно вернуться на базу по извилистому 100-метровому испытательному полигону с препятствиями внутри помещения, используя всего 1,16 килобайта памяти – это вполне соответствует возможностям большинства коммерческих микродронов. На самом деле, этот квадрокоптер, как сообщается, теперь является самым легким дроном, когда-либо выполнявшим навигацию на основе визуальной информации.
Исследование опубликовано в журнале Science Robotics.
