Китайські інженери продемонстрували політ рою з 10 невеликих дронів крізь зарості бамбуку. Вони не мали мапи місцевості та GPS, однак вправно оминали перешкоди на шляху, обмінюючись інформацією між собою: даними камер, акселерометра і гіроскопа. Так вони у реальному часі будували 3D-мапу місцевості та уникали зіткнень один з одним. Успіх швидкісних польотів скупчення дронів у невідомій складній місцевості потрапив на обкладинку журналу Science Robotics, де вчені опублікували статтю.
Fei Gao / YouTube
Навіщо дронам літати у заростях роєм?
Дрони з розвитком технологій давно стали частиною звичних для нас технологій: від розваг до дослідницьких задач на Марсі. Однак якщо запуск одного дрона можливий навіть автономно завдяки гнучким системам керування, надійним способам навігації за допомогою датчиків та методам планування, то польоти кількох дронів одночасно є набагато складнішими. Хоча саме об'єднані у рій дрони можуть не просто ефективно досліджувати великі території, а і спільними зусиллями брати на себе навантаження, недоступне маловантажним дронам. Як зазначають і самі автори роботи, інженери Чжецзянського університету, що у Китаї, навіть у науково-фантастичних фільмах нерідко можна побачити не просто високотехнологічні дрони, а і цілі їхні «десанти», що вправно облітають хмарочоси та оточують космічні кораблі мовби щитом.
Втім, об'єднання кількох дронів для однієї задачі значно ускладнює те, що окрім перешкод на місцевості, вони самі є перешкодами один для одного. І щоб дрони з рою не зіткнулися у польоті або не здули один одного на шляху, вони мають володіти точними алгоритмами для планування оптимальних рішень, а підхід при цьому має бути масштабованим. І у своїй роботі вчені запропонували саме такий — і протестували його на десяти дронів, яких пустили політати у бамбуковому лісі.
Як об'єднати дрони?
Попри те, що рої дронів успішно літають у рамках різноманітних шоу, вони у такому випадку послуговуються GPS і заздалегідь спланованими діями, а отже не зможуть працювати у складному просторі міста або лісу. У своїй роботі інженери дійшли висновку, що ключем до успіху угрупування дронів у невідомій місцевості може стати планування маршруту для дронів на основі кількох поставлених цілей. Так їхній алгоритм працює, задовольняючи ланцюжок цілей: мінімізація часу польоту, максимальне слідування маршруту і уникнення зіткнень.
Fei Gao / YouTube
Окрім запропонованого методу планування траєкторії, автори роботи наділили кожний дрон системою візуально-інерційної одометрії, яка працює незалежно на кожному дроні для формування рою. Так, для того, щоб забезпечувати собі рух, дрони оцінювали своє положення за оцінками його від камери і від інерційного вимірювального пристрою (IMU), що використовує для визначення орієнтації акселерометр і гіроскоп. Щоб мінімізувати похибку вимірювання, яка призведе до зіткнення, дрони також враховують відстань один між одним. Вчені порівнюють свій метод зі способом навігації у птахів: вони так само покладаються на свій зір та вестибулярний апарат, як і дрони на камери та IMU.
Як рій не заблукав?
Щоб продемонструвати свій метод планування траєкторій на практиці, вчені запустили десятку своїх 300-грамових дронів у хащі бамбукового лісу на швидкості двох метрів на секунду. Метою рою було пролетіти 65 метрів заростями, де відстань між деревами складала менше 30 сантиметрів. І їм це вдалося, а алгоритм навіть побудував траєкторію з врахуванням того, що на деяких ділянках маршруту була всього одна доступна для дронів щілина між деревами.
У результаті, слідуючи запланованим траєкторіям, рій летить лісом, залишаючись у строю. Крім того, дрони також успішно пройшли випробування в польоті роєм у колі радіусом 3 метри навколо дерева, де їм до всього іншого довелося облітати інженерів, що раптово з'являлися на шляху, або принесені ними конструкції. Незважаючи на непередбачувані події, дронам вдавалося триматися на безпечній відстані як від перешкод, так і від інших дронів, зберігаючи навколо себе сферу радіусом сім сантиметрів.
Fei Gao / YouTube
Ліс є відмінним місцем для тренування дронів з точки зору їхньої готовності до непередбачуваних перешкод і роботи у складних середовищах. Так, наприклад, ми розповідали як швейцарським інженерам вдалося скоротити час на обробку інформації про місцевість завдяки нейромережі, яка будувала маршрути для дрона за допомогою даних зі стереокамери, щоб він зміг пролітати між деревами у лісі на швидкості 40 кілометрів на годину. А рої дронів вже знадобилися не лише для яскравого шоу на підтримку України з боку Японії, а і щоб винюхати джерело витоку газу у кімнаті.