SUPER : le robot aérien haute vitesse à sécurité assurée de l'Université de Hong Kong révolutionne la navigation des drones

Andrew Corselli

Imiter le vol des oiseaux

Contrairement aux oiseaux, qui naviguent dans des environnements inconnus avec une vitesse et une agilité remarquables, les drones comptent généralement sur une guidance externe ou des routes pré-cartographiées. 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 véhicules aériens micro (MAV) d'imiter les capacités de vol des oiseaux plus étroitement que jamais auparavant.

L'équipe a développé le Robot Aérien Haute Vitesse à Sécurité Assurée (SUPER), capable de voler à des vitesses excédant 20 mètres par seconde [environ 72 km/h] et d'éviter des obstacles aussi fins que 2,5 millimètres [environ 0,1 pouce] — comme des lignes électriques ou des brindilles — en utilisant uniquement des capteurs embarqués et la puissance de calcul. Avec un design compact présentant un empattement de seulement 280 mm [environ 11 pouces] et un poids au décollage de 1,5 kg [environ 3,3 livres], SUPER démontre une agilité exceptionnelle.

Zhang : « Imaginez un "Robot Oiseau" manœuvrant rapidement à travers la forêt, esquivant branches et obstacles à haute vitesse. C'est un pas en avant significatif dans la technologie de vol autonome. Notre système permet aux MAV de naviguer dans des environnements complexes à haute vitesse avec un niveau de sécurité auparavant inatteignable. C'est comme donner au drone les réflexes d'un oiseau, lui permettant d'esquiver les obstacles en temps réel tout en fonçant vers son objectif. »

Intégration sophistiquée matériel-logiciel

La percée réside dans l'intégration sophistiquée du matériel et du logiciel. SUPER utilise un capteur LiDAR 3D léger capable de détecter des obstacles jusqu'à 70 mètres [environ 230 pieds] avec une précision extrême. Cela 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 priorisant la sécurité en restant dans des zones connues sans obstacles.

En traitant les données LiDAR directement comme des nuages de points, le système réduit significativement le temps de calcul, permettant une prise de décision rapide même à haute vélocité. La technologie a été testée dans diverses applications réelles, comme l'exploration autonome de sites anciens, et a démontré une navigation fluide dans les environnements intérieurs et extérieurs.

Yunfan Ren, Auteur Principal : « La capacité d'éviter les obstacles fins et de naviguer dans des espaces étroits ouvre de nouvelles possibilités pour des applications comme 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 des opérations 24/7. »

Entretien exclusif Tech Briefs avec Zhang

Tech Briefs : Quel a été le plus grand défi technique que vous avez rencontré en développant SUPER ?

Zhang : Le plus grand obstacle était de construire un petit drone qui pourrait voler vraiment vite à travers des endroits inconnus, désordonnés comme les forêts ou zones de catastrophe sans s'écraser. Nous avions besoin qu'il pense et réagisse rapidement en utilisant seulement ses capteurs embarqués et ordinateur, ce qui était dur. Le drone devait repérer les obstacles loin, planifier des chemins sûrs en quelques millisecondes, et éviter les dangers cachés dans des zones qu'il n'avait pas encore pleinement vues. Faire marcher tous ces morceaux — vitesse, sécurité, et planification temps réel — ensemble sur un minuscule drone était un énorme défi.

Tech Briefs : Pouvez-vous expliquer en termes simples comment SUPER fonctionne ?

Zhang : SUPER est un petit drone super-agile qui peut foncer à travers des endroits inconnus à haute vitesse, comme 72 km/h, sans rien heurter. Il utilise un capteur laser appelé LiDAR pour « voir » les obstacles jusqu'à 70 mètres, créant une carte 3D de son environnement, comme arbres, fils, ou murs. Chaque dixième de seconde, l'ordinateur embarqué de SUPER planifie deux chemins : un rapide qui assume que les zones inexplorées sont sûres, pour maximiser la vitesse, et un de secours qui reste dans les zones qu'il sait dégagées, pour éviter les crashs. Il choisit le meilleur chemin pour voler vite mais rester en sécurité, tout sans avoir besoin d'aide externe comme GPS ou ordinateurs supplémentaires.

Tech Briefs : Quel a été le catalyseur pour ce travail ? Comment est-ce venu ?

Zhang : Nous avons été inspirés par l'idée de drones aidant en cas d'urgence, comme trouver des gens dans des zones de catastrophe ou livrer des fournitures dans des endroits difficiles où vitesse et sécurité sont critiques. La plupart des drones volaient soit vite mais risquaient de s'écraser, soit étaient trop lents pour être utiles dans ces situations. Nous avons vu un vide : personne n'avait construit un drone qui pouvait être à la fois rapide et sûr dans des endroits inconnus en utilisant seulement ses propres capteurs. Alors, nous avons entrepris de créer SUPER, combinant nouveaux capteurs laser et planification intelligente pour faire un drone qui pouvait gérer des défis réels comme la recherche et le sauvetage.

Tech Briefs : Avez-vous des plans définis pour de futurs travaux/recherches/etc. ? Sinon, quelles sont vos prochaines étapes ?

Zhang : Nous sommes excités de continuer à améliorer SUPER. Un grand plan est de le rendre meilleur pour gérer des objets en mouvement, comme des gens ou des véhicules, en prédisant où ils iront ensuite pour planifier des chemins plus lisses et plus sûrs. Nous voulons aussi rendre le drone encore plus léger et plus aérodynamique, peut-être avec de meilleurs moteurs ou un design plus élégant, pour qu'il puisse voler plus vite et utiliser moins d'énergie. Nous regardons à améliorer le LiDAR pour voir des objets plus petits et plus loin. De plus, nous explorons des façons d'accélérer le logiciel en utilisant des puces puissantes comme les GPU, ouvrant la porte à des usages comme l'exploration de zones inconnues, l'inspection de ponts, ou la livraison rapide et sûre de colis.

Tech Briefs : Y a-t-il quelque chose d'autre que vous aimeriez ajouter que je n'ai pas touché ?

Zhang : La capacité de SUPER à voler dans toutes sortes de conditions — jour ou nuit, à travers forêts denses ou espaces étroits — le rend spécial. Il peut même esquiver des obstacles super fins, comme un fil de 2,5 millimètres, que la plupart des drones ne peuvent pas voir. Cela le rend prêt pour des vrais travaux, pas juste des tests de 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 réellement aider les gens dans des situations difficiles, comme le secours en cas de catastrophe ou la réponse d'urgence, et nous espérons qu'il inspirera plus de solutions robotiques pratiques.

Tech Briefs : Avez-vous des conseils pour les chercheurs visant à concrétiser leurs idées (au sens large) ?

Zhang : Commencez avec un vrai problème qui importe aux gens, comme rendre la vie plus facile ou plus sûre. Faites équipe avec d'autres qui ont des compétences différentes — peut-être quelqu'un de génial pour construire du matériel, un autre pour coder, ou quelqu'un qui connaît le côté pratique des choses. Testez vos idées tôt et souvent, en utilisant simulations informatiques et expériences réelles pour repérer les problèmes et les corriger. N'ayez pas peur d'échouer ; chaque test vous apprend quelque chose. Restez patient et continuez à pousser, parce que transformer une idée cool en quelque chose qui marche dans le monde réel prend du temps, de la ténacité, et beaucoup de peaufinage.

Transcription vidéo

00:00:01 les oiseaux ont longtemps captivé les humains avec leur capacité à naviguer à haute vitesse à travers des environnements encombrés tout en maintenant des taux d'échec remarquablement bas de même micro-vehicules aériens parmi les machines les plus agiles créées par les humains détiennent le potentiel d'atteindre des vols agiles type oiseau tandis que experts humains peuvent répliquer agilité oiseau équilibrant

00:00:24 haute vitesse et sécurité en vols autonomes reste un défi approches actuelles souvent sacrifient sécurité pour Vitesse ou vice versa cela soulève une question critique comment mavs autonomes peuvent atteindre à la fois haute vitesse et vols sûrs en environnements réels inconnus introduisant super un robot aérien haute vitesse à sécurité assurée

00:00:51 super est compact avec empattement juste 280 mm et poids décollage 1.5 kg rapport poussée/poids supérieur 5.0 équipé capteur détection lumière et portée 360° capable détecter objets jusqu'à 70 M taux points dépassant 200,000 Hz avec perception lidar avancée planification sécurité assurée et contrôle optimal

00:01:20 modules super navigue environnements inconnus vitesses plus 20 m/s s'appuyant entièrement détection embarquée et calcul il peut manœuvrer nimblement à travers environnements extrêmement encombrés à haute vitesses sans compromettre sécurité avec son système perception lidar avancé super peut efficacement

00:01:51 détecter et éviter obstacles fins comme lignes électriques de plus il peut identifier objets minces moins 2.5 mm en juste 20 millisecondes permettant navigation précise à travers environnements difficiles posant difficultés significatives pour produits commerciaux état-de-l'art basés vision le mécanisme détection actif du lar aussi permet super opérer

00:02:21 toute la journée même dans obscurité totale grâce à ces capacités exceptionnelles super a été testé à travers diverses applications réelles il peut être appliqué pour explorer autonomément sites anciens naviguer seamlessly espaces intérieurs et extérieurs il peut aussi traverser forêts denses avec garanties sécurité

00:02:51 surmontant obstacles complexes sup agilité s'étend à suivi objet mission lui permettant suivre cibles de près et éviter obstacles en environnements intérieurs et extérieurs pendant jour et nuit avec ses capacités navigation haute vitesse design sécurité assurée et performance robuste super marque un

00:03:22 jalon significatif transition navigation autonome haute vitesse du laboratoire aux applications réelles bien que pas parfait chercheurs espèrent super débloquera nouvelles possibilités futurs scénarios réels comme livraison autonome inspection cartographie et missions recherche sauvetage