SUPER:El robot aéreo de alta velocidad con seguridad garantizada de la Universidad de Hong Kong revoluciona la navegación con drones

Andrés Corselli

SUPER puede navegar en entornos complejos a altas velocidades con un nivel de seguridad antes inalcanzable. (Imagen:HKU)

A diferencia de las aves, que navegan por entornos desconocidos con notable velocidad y agilidad, los drones suelen depender de guías externas o rutas predefinidas. Sin embargo, un desarrollo del profesor Fu Zhang e investigadores del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Hong Kong (HKU) ha permitido a los drones y microvehículos aéreos (MAV) emular las capacidades de vuelo de las aves más estrechamente que nunca.

El equipo ha desarrollado el robot aéreo de alta velocidad con seguridad garantizada (SUPER), capaz de volar a velocidades superiores a 20 metros por segundo [aproximadamente 45 millas por hora] y evitar obstáculos de hasta 2,5 milímetros [aproximadamente 0,1 pulgadas], como líneas eléctricas o ramitas, utilizando únicamente sensores a bordo y potencia informática. Con un diseño compacto con una distancia entre ejes de sólo 280 mm [aproximadamente 11 pulgadas] y un peso de despegue de 1,5 kg [aproximadamente 3,3 libras], SUPER demuestra una agilidad excepcional.

Zhang describe esta invención como un punto de inflexión en el campo de la tecnología de drones:"Imagínese un 'pájaro robot' maniobrando rápidamente a través del bosque, esquivando sin esfuerzo ramas y obstáculos a altas velocidades. Este es un importante paso adelante en la tecnología de vuelo autónomo. Nuestro sistema permite a los MAV navegar en entornos complejos a altas velocidades con un nivel de seguridad antes inalcanzable. Es como darle al dron los reflejos de un pájaro, permitiéndole esquivar obstáculos en tiempo real mientras corre hacia su objetivo. objetivo.”

El gran avance reside en la sofisticada integración de hardware y software. SUPER utiliza un sensor liviano de detección y alcance de luz 3D (LiDAR) capaz de detectar obstáculos hasta 70 metros [aproximadamente 230 pies] de distancia con precisión milimétrica. Esto se combina con un marco de planificación avanzada que genera dos trayectorias durante el vuelo:una que optimiza la velocidad aventurándose en espacios desconocidos y otra que prioriza la seguridad al permanecer dentro de zonas conocidas y libres de obstáculos.

Al procesar datos LiDAR directamente como nubes de puntos, el sistema reduce significativamente el tiempo de cálculo, lo que permite una rápida toma de decisiones incluso a altas velocidades. La tecnología se ha probado en varias aplicaciones de la vida real, como la exploración autónoma de sitios antiguos, y ha demostrado una navegación perfecta tanto en entornos interiores como exteriores.

"La capacidad de evitar obstáculos finos y navegar en espacios reducidos abre nuevas posibilidades para aplicaciones como búsqueda y rescate, donde cada segundo cuenta. La robustez de SUPER en diversas condiciones de iluminación, incluida la noche, lo convierte en una herramienta confiable para operaciones las 24 horas del día", afirmó el autor principal Yunfan Ren.

Aquí hay un Tech Briefs exclusivo entrevista, editada para mayor extensión y claridad, con Zhang.

Resúmenes técnicos :¿Cuál fue el mayor desafío técnico al que se enfrentó mientras desarrollaba SUPER?

Zhang :El mayor obstáculo fue construir un pequeño dron que pudiera volar muy rápido a través de lugares desconocidos y desordenados, como bosques o zonas de desastre, sin estrellarse. Necesitábamos que pensara y reaccionara rápidamente usando solo sus sensores y computadora a bordo, lo cual fue difícil. El dron tuvo que detectar obstáculos lejanos, planificar caminos seguros en varios milisegundos y evitar peligros ocultos en áreas que aún no había visto por completo. Conseguir que todas estas piezas (velocidad, seguridad y planificación en tiempo real) funcionaran juntas en un pequeño dron fue un gran desafío.

Resúmenes técnicos :¿Puedes explicar en términos sencillos cómo funciona SUPER?

Zhang :SUPER es un dron pequeño y súper ágil que puede atravesar lugares desconocidos a altas velocidades, como 45 millas por hora, sin chocar contra nada. Utiliza un sensor láser llamado LiDAR para "ver" obstáculos a una distancia de hasta 230 pies, creando un mapa 3D de su entorno, como árboles, cables o paredes. Cada décima de segundo, la computadora a bordo del SUPER planifica dos caminos:uno rápido que asume que las áreas inexploradas son seguras, para maximizar la velocidad, y otro de respaldo que se ciñe a áreas que sabe que están despejadas, para evitar choques. Elige el mejor camino para volar rápido pero mantenerse seguro, todo sin necesidad de ayuda externa como GPS u computadoras adicionales.

SUPER ha sido sometido a pruebas en una variedad de aplicaciones del mundo real, incluidas situaciones con oscuridad total y entornos desordenados. (Imagen:HKU)

Resúmenes técnicos :¿Cuál fue el catalizador de este trabajo? ¿Cómo surgió?

Zhang :Nos inspiró la idea de que los drones ayuden en emergencias, como encontrar personas en áreas de desastre o entregar suministros en lugares difíciles donde la velocidad y la seguridad son fundamentales. La mayoría de los drones volaban rápido pero corrían el riesgo de estrellarse o eran demasiado lentos para ser útiles en estas situaciones. Vimos una brecha:nadie había construido un dron que pudiera ser rápido y seguro en lugares desconocidos usando solo sus propios sensores. Entonces, nos propusimos crear SUPER, combinando nuevos sensores láser con una planificación inteligente para crear un dron que pudiera enfrentar desafíos del mundo real como la búsqueda y el rescate.

Resúmenes técnicos :¿Tiene algún plan establecido para futuras investigaciones/trabajos/etc.? Si no, ¿cuáles son tus próximos pasos?

Zhang :Estamos emocionados de seguir mejorando SUPER. Un gran plan es mejorar el manejo de objetos en movimiento, como personas o vehículos, prediciendo hacia dónde irán a continuación para planificar caminos más suaves y seguros. También queremos hacer que el dron sea aún más liviano y aerodinámico, tal vez con mejores motores o un diseño más elegante, para que pueda volar más rápido y usar menos energía. Estamos pensando en actualizar el LiDAR para ver objetos más pequeños y a mayores distancias. Además, estamos explorando formas de acelerar el software utilizando chips potentes como GPU, abriendo la puerta a usos como explorar áreas desconocidas, inspeccionar puentes o entregar paquetes de forma rápida y segura.

Resúmenes técnicos :¿Hay algo más que le gustaría agregar que no mencioné?

Zhang :La capacidad de SUPER para volar en todo tipo de condiciones (de día o de noche, a través de densos bosques o espacios reducidos) lo hace especial. Incluso puede esquivar obstáculos muy finos, como un cable de 2,5 milímetros, que la mayoría de los drones no pueden ver. Esto lo prepara para trabajos del mundo real, no solo para pruebas de laboratorio. Por ejemplo, podría rastrear un automóvil en movimiento o explorar un edificio derrumbado. Estamos orgullosos de que SUPER muestre cómo los drones pueden pasar de la investigación a ayudar a las personas en situaciones difíciles, como ayuda en casos de desastre o respuesta de emergencia, y esperamos que inspire soluciones robóticas más prácticas.

Resúmenes técnicos :¿Tiene algún consejo para los investigadores que quieran hacer realidad sus ideas (en términos generales)?

Zhang :Comience con un problema real que importe a las personas, como hacer la vida más fácil o más segura. Forme un equipo con otras personas que tengan diferentes habilidades:tal vez alguien excelente en la construcción de hardware, otro en codificación o alguien que conozca el lado práctico de las cosas. Pruebe sus ideas desde el principio y con frecuencia, utilizando simulaciones por computadora y experimentos del mundo real para detectar problemas y solucionarlos. No tengas miedo de fracasar; Cada prueba te enseña algo. Ten paciencia y sigue esforzándote, porque convertir una idea interesante en algo que funcione en el mundo real requiere tiempo, determinación y muchos ajustes.

Transcripción

00:00:01 las aves han cautivado durante mucho tiempo a los humanos con su capacidad para navegar a altas velocidades a través de entornos desordenados mientras mantienen tasas de falla notablemente bajas.

00:00:24 La alta velocidad y la seguridad en vuelos autónomos siguen siendo un desafío. Los enfoques actuales a menudo sacrifican la seguridad por la velocidad o viceversa. Esto plantea una pregunta crítica:¿cómo pueden los Mav autónomos lograr vuelos seguros y de alta velocidad en entornos desconocidos del mundo real introduciendo una aeronave de alta velocidad con seguridad garantizada?

00:00:51 El robot súper es compacto con una distancia entre ejes de solo 280 mm y un peso de despegue de 1,5 kg, logrando una relación de peso de empuje superior a 5,0. Está equipado con un sensor de alcance y detección de luz de 360° capaz de detectar objetos a una distancia de hasta 70 m a una velocidad puntual superior a 200.000 Herz con una percepción avanzada basada en mentirosos, planificación segura y óptima

00:01:20 Los módulos de control navegan en entornos desconocidos a velocidades superiores a 20 m/s confiando completamente en la detección y el cálculo a bordo. Puede maniobrar ágilmente a través de entornos extremadamente desordenados a altas velocidades sin comprometer la seguridad con su sistema avanzado de percepción basado en mentirosos. Puede ser súper eficiente.

00:01:51 detecta y evita obstáculos delgados como líneas eléctricas. Además, puede identificar objetos delgados de menos de 2,5 mm en solo 20 milisegundos, lo que permite una navegación precisa a través de entornos desafiantes que plantean dificultades significativas para los productos comerciales basados en visión de última generación. El mecanismo de detección activa del lar también permite operar al super

00:02:21 todo el día, incluso en la oscuridad total, gracias a estas capacidades excepcionales, super ha sido probado en varias aplicaciones del mundo real. Se puede aplicar para explorar de forma autónoma sitios antiguos navegando sin problemas en espacios interiores y exteriores. También puede atravesar bosques densos con garantías de seguridad

00:02:51 la superación de obstáculos complejos su agilidad se extiende a la misión de seguimiento de objetos, lo que le permite seguir de cerca los objetivos y evitar obstáculos en entornos interiores y exteriores durante el día y la noche con sus capacidades de navegación de alta velocidad, diseño seguro y rendimiento robusto. Super marcas a

00:03:22 Un hito importante en la transición de la navegación autónoma de alta velocidad desde el laboratorio a aplicaciones del mundo real, aunque no es perfecta, los investigadores esperan que super desbloquee nuevas posibilidades en futuros escenarios del mundo real, como el mapeo autónomo de inspección de entregas y misiones de búsqueda y rescate.