SUPER :Le robot aérien à grande vitesse et sécurité assurée de l'université de Hong Kong révolutionne la navigation par drone

Andrew Corselli SUPER peut naviguer dans des environnements complexes à grande vitesse avec un niveau de sécurité auparavant inaccessible. (Image : HKU)

Contrairement aux oiseaux, qui naviguent dans des environnements inconnus avec une vitesse et une agilité remarquables, les drones s’appuient généralement sur un guidage externe ou sur des itinéraires pré-cartographiés. Cependant, un développement du professeur Fu Zhang et des chercheurs du Département de génie mécanique de la Faculté d'ingénierie de l'Université de Hong Kong (HKU) a permis aux drones et aux micro-véhicules aériens (MAV) d'imiter plus fidèlement que jamais les capacités de vol des oiseaux.

L’équipe a développé le robot aérien à grande vitesse sécurisé (SUPER), capable de voler à des vitesses supérieures à 20 mètres par seconde [environ 45 miles par heure] et d’éviter des obstacles aussi fins que 2,5 millimètres [environ 0,1 pouce] – tels que des lignes électriques ou des brindilles – en utilisant uniquement des capteurs embarqués et une puissance de calcul. Avec un design compact avec un empattement de seulement 280 mm [environ 11 pouces] et une masse au décollage de 1,5 kg [environ 3,3 livres], SUPER fait preuve d'une agilité exceptionnelle.

Zhang décrit cette invention comme un tournant dans le domaine de la technologie des drones :"Imaginez un "oiseau robot" manœuvrant rapidement à travers la forêt, évitant sans effort les branches et les obstacles à grande vitesse. Il s'agit d'une avancée significative dans la technologie de vol autonome. Notre système permet aux MAV de naviguer dans des environnements complexes à des vitesses élevées avec un niveau de sécurité auparavant inaccessible. C'est comme donner au drone les réflexes d'un oiseau, lui permettant d'esquiver les obstacles en temps réel tout en courant vers son objectif. "

La percée réside dans l’intégration sophistiquée du matériel et des logiciels. SUPER utilise un capteur léger de détection et de télémétrie de la lumière 3D (LiDAR) capable de détecter des obstacles jusqu'à 70 mètres [environ 230 pieds] avec une précision extrême. Ceci est associé à un cadre de planification avancé qui génère deux trajectoires pendant le vol :une qui optimise la vitesse en s'aventurant dans des espaces inconnus et une autre qui donne la priorité à la sécurité en restant dans des zones connues et sans obstacles.

En traitant les données LiDAR directement sous forme de nuages de points, le système réduit considérablement le temps de calcul, permettant une prise de décision rapide même à des vitesses élevées. La technologie a été testée dans diverses applications réelles, telles que l'exploration autonome de sites antiques, et a démontré une navigation transparente dans des environnements intérieurs et extérieurs.

"La capacité d'éviter des obstacles minces et de naviguer dans des espaces restreints ouvre de nouvelles possibilités pour des applications telles que la recherche et le sauvetage, où chaque seconde compte. La robustesse de SUPER dans diverses conditions d'éclairage, y compris la nuit, en fait un outil fiable pour les opérations 24 heures sur 24", a déclaré l'auteur principal Yunfan Ren.

Voici un Tech Briefs exclusif entretien, édité pour plus de longueur et de clarté, avec Zhang.

Notes techniques :Quel a été le plus grand défi technique auquel vous avez été confronté lors du développement de SUPER ?

Zhang :Le plus gros obstacle était de construire un petit drone capable de voler très rapidement à travers des endroits inconnus et désordonnés comme les forêts ou les zones sinistrées sans s'écraser. Nous avions besoin qu'il réfléchisse et réagisse rapidement en utilisant uniquement ses capteurs embarqués et son ordinateur, ce qui était difficile. Le drone devait repérer les obstacles au loin, planifier des itinéraires sûrs en quelques millisecondes et éviter les dangers cachés dans les zones qu’il n’avait pas encore complètement vues. Faire fonctionner ensemble tous ces éléments (vitesse, sécurité et planification en temps réel) sur un petit drone était un défi de taille.

Notes techniques :Pouvez-vous expliquer en termes simples comment fonctionne SUPER ?

Zhang :SUPER est un petit drone super agile qui peut zoomer sur des endroits inconnus à grande vitesse, comme 45 miles par heure, sans rien heurter. Il utilise un capteur laser appelé LiDAR pour « voir » les obstacles jusqu’à 230 pieds de distance, créant ainsi une carte 3D de son environnement, comme des arbres, des fils ou des murs. Tous les dixièmes de seconde, l'ordinateur de bord du SUPER planifie deux chemins :un chemin rapide qui suppose que les zones inexplorées sont sûres, pour maximiser la vitesse, et un chemin de secours qui s'en tient aux zones qu'il sait dégagées, pour éviter les accidents. Il choisit le meilleur chemin pour voler rapidement tout en restant en sécurité, le tout sans avoir besoin d'une aide externe comme un GPS ou des ordinateurs supplémentaires.

SUPER a été testé dans diverses applications réelles, notamment dans des situations d'obscurité totale et d'environnements encombrés. (Image : HKU)

Notes techniques :Quel a été le catalyseur de ce travail ? Comment est-ce arrivé ?

Zhang :Nous avons été inspirés par l'idée des drones aidant en cas d'urgence, comme retrouver des personnes dans des zones sinistrées ou livrer des fournitures dans des endroits difficiles où la vitesse et la sécurité sont essentielles. La plupart des drones volaient vite mais risquaient de s’écraser ou étaient trop lents pour être utiles dans ces situations. Nous avons constaté une lacune :personne n’avait construit un drone capable d’être à la fois rapide et sûr dans des lieux inconnus en utilisant uniquement ses propres capteurs. Nous avons donc décidé de créer SUPER, combinant de nouveaux capteurs laser avec une planification intelligente pour créer un drone capable de relever des défis du monde réel comme la recherche et le sauvetage.

Notes techniques :Avez-vous des projets précis pour des recherches/travaux/etc. supplémentaires ? Si non, quelles sont vos prochaines étapes ?

Zhang :Nous sommes ravis de continuer à améliorer SUPER. L’un des grands projets consiste à améliorer la gestion des objets en mouvement, comme les personnes ou les véhicules, en prédisant où ils iront ensuite pour planifier des chemins plus fluides et plus sûrs. Nous souhaitons également rendre le drone encore plus léger et aérodynamique, peut-être avec de meilleurs moteurs ou un design plus élégant, afin qu'il puisse voler plus vite et consommer moins d'énergie. Nous envisageons de mettre à niveau le LiDAR pour voir des objets plus petits et des distances plus lointaines. De plus, nous étudions des moyens d'accélérer le logiciel à l'aide de puces puissantes telles que des GPU, ouvrant ainsi la porte à des utilisations telles que l'exploration de zones inconnues, l'inspection de ponts ou la livraison de colis rapidement et en toute sécurité.

Notes techniques :Y a-t-il autre chose que vous aimeriez ajouter et que je n'ai pas abordé ?

Zhang :La capacité du SUPER à voler dans toutes sortes de conditions – de jour comme de nuit, à travers des forêts denses ou des espaces restreints – le rend spécial. Il peut même éviter des obstacles très fins, comme un fil de 2,5 millimètres, que la plupart des drones ne peuvent pas voir. Cela le rend prêt pour les travaux du monde réel, et pas seulement pour les tests en laboratoire. Par exemple, il pourrait suivre une voiture en mouvement ou explorer un bâtiment effondré. Nous sommes fiers que SUPER montre comment les drones peuvent passer de la recherche à l'aide réelle aux personnes dans des situations difficiles, comme les secours en cas de catastrophe ou les interventions d'urgence, et nous espérons qu'il inspirera des solutions robotiques plus pratiques.

Notes techniques :Avez-vous des conseils à donner aux chercheurs souhaitant concrétiser leurs idées (au sens large) ?

Zhang :Commencez par un problème réel qui compte pour les gens, comme rendre la vie plus facile ou plus sûre. Faites équipe avec d'autres personnes ayant des compétences différentes – peut-être quelqu'un de doué pour la construction de matériel, un autre pour le codage ou quelqu'un qui connaît le côté pratique des choses. Testez vos idées tôt et souvent, en utilisant des simulations informatiques et des expériences réelles pour détecter les problèmes et les résoudre. N'ayez pas peur d'échouer ; chaque test vous apprend quelque chose. Restez patient et continuez à persévérer, car transformer une idée intéressante en quelque chose qui fonctionne dans le monde réel demande du temps, du courage et beaucoup d'ajustements.

Transcription

00:00:01 Les oiseaux ont longtemps captivé les humains avec leur capacité à naviguer à grande vitesse dans des environnements encombrés tout en maintenant des taux d'échec remarquablement bas, de la même manière que les véhicules micro-aériens. Les véhicules parmi les machines les plus agiles créées par les humains ont le potentiel d'effectuer des vols agiles comme ceux des oiseaux, tandis que les experts humains peuvent reproduire l'équilibrage d'agilité semblable à celui des oiseaux.

00:00:24 La vitesse élevée et la sécurité des vols autonomes restent un défi. Les approches actuelles sacrifient souvent la sécurité au profit de la vitesse ou, vice versa, cela soulève une question cruciale :comment les Mav autonomes peuvent-ils réaliser des vols à la fois rapides et sûrs dans des environnements réels inconnus en introduisant une super antenne aérienne à grande vitesse avec sécurité assurée ?

00:00:51 le robot super est compact avec un empattement de seulement 280 mm et un poids au décollage de 1,5 kg atteignant un rapport de poids de poussée supérieur à 5,0 il est équipé d'un capteur de détection de lumière et de télémétrie à 360° capable de détecter des objets jusqu'à 70 M de distance à un taux de points supérieur à 200 000 Herz avec une perception avancée basée sur le menteur, une planification de sécurité assurée et optimale

00:01:20 Les modules de contrôle naviguent dans des environnements inconnus à des vitesses supérieures à 20 m/s en s'appuyant entièrement sur la détection et le calcul embarqués. Ils peuvent manœuvrer avec agilité dans des environnements extrêmement encombrés à des vitesses élevées sans compromettre la sécurité grâce à son système avancé de perception basé sur le menteur, super efficace

00:01:51 détecte et évite les obstacles minces tels que les lignes électriques. De plus, il peut identifier les objets minces de moins de 2,5 mm en seulement 20 millisecondes, permettant une navigation précise dans des environnements difficiles qui posent des difficultés importantes aux produits commerciaux de pointe basés sur la vision. Le mécanisme de détection active du lar permet également au super de fonctionner.

00:02:21 toute la journée, même dans l'obscurité totale, grâce à ces capacités exceptionnelles, super a été testé dans diverses applications du monde réel, il peut être appliqué pour explorer de manière autonome des sites anciens en naviguant sans problème dans les espaces intérieurs et extérieurs, il peut également traverser des forêts denses avec des garanties de sécurité

00:02:51 surmonter des obstacles complexes, l'agilité sup s'étend à la mission de suivi d'objets, lui permettant de suivre de près les cibles et d'éviter les obstacles dans les environnements intérieurs et extérieurs de jour comme de nuit grâce à ses capacités de navigation à grande vitesse, sa conception sécurisée et ses performances robustes super mark a

00:03:22 étape importante dans la transition de la navigation autonome à grande vitesse du laboratoire vers des applications du monde réel, même si les chercheurs ne sont pas parfaits espèrent que cela débloquera de nouvelles possibilités dans de futurs scénarios du monde réel tels que la cartographie d'inspection de livraison autonome et les missions de recherche et de sauvetage.