Nick Roy leert drones zelfstandig vliegen (video)

De populaire term ‘drone' wordt steeds minder toereikend voor het beschrijven van de nieuwste onbemande vliegtuigen. Voor nieuwe toepassingen worden de UAV's (unmanned aerial vehicles) uitgerust met meer intelligentie en autonomie. Nick Roy van het Amerikaanse MIT leert UAV's zelfstandig vliegen.

Nick Roy ontwikkelt drones die zelfstandig kunnen navigeren in drukke omgevingen

1/1

Gerelateerd nieuws

I/O-systeem ‘helpt’ Groot Barrièrerif

Gwneud yng Nghymru: 3 miljoen frequentieregelaars

Hoe krijg je structuur in je software?

Een vinger of een hele hand?

"Bij de term ‘drones' voor professionele toepassingen denken mensen vaak aan de militaire vliegtuigen, die zich hoog in de lucht bevinden - waar ze maar weinig obstakels tegenkomen", zegt Nick Roy, directeur van de Robust Robotics Group bij MIT-Csail. "Maar er zijn natuurlijk heel veel toepassingen voor kleinschalige UAV's die veel dichter bij de grond blijven. Denk bijvoorbeeld aan het observeren van landbouwgewassen, het bezorgen van pakketjes of het assisteren van hulpverleners in rampgebieden. Voor dergelijke toepassingen is veel meer autonomie gewenst."

De belangrijkste missie van Roy's groep is om UAV's en andere robots te leren zelfstandig te denken. "We willen dat UAV's kunnen functioneren in stedelijke omgevingen, daar nuttige dingen kunnen doen en kunnen communiceren met mensen", zegt Roy. "We willen dat ze de intelligentie krijgen die nodig is voor de taak die ze moeten uitvoeren".

Meer intelligentie nodig

Roy heeft zich de laatste tijd meer gericht op UAV's dan op aardse robots, maar veel van de principes en algoritmes zijn identiek. UAV's hebben meer intelligentie nodig om botsingen en crashes te voorkomen en om te begrijpen wat er om hen heen gebeurt. Er is een bepaald niveau van betrouwbare autonomie vereist voordat overheden commerciële toepassingen volledig zullen toestaan.
"Het gaat niet alleen om het ontwijken van obstakels, maar ook om het begrijpen van de omgeving, om wat veilig is en wat niet", aldus Roy. "UAV's moeten hun eigen gedrag kennen en ook weten hoe mensen willen dat ze hun taak uitvoeren".

Project Wing en UAV's met vaste vleugels

In 2012 werkte Roy bij Google X aan Project Wing, dat de levensvatbaarheid moest aantonen van het afleveren van goederen met UAV's. Roy keerde vorige jaar terug bij MIT maar is nog steeds adviseur bij het project.

Project Wing is een hybride vliegtuig, in tegenstelling tot de quadrotor-typen die je veel tegenkomt bij academisch onderzoek en in de consumentenmarkt. Het vliegtuig werkt wel met vier rotors, maar die worden vooral gebruikt als propellers. Maar als het toestel de plek bereikt waar het pakket moet worden afgeleverd, kantelt het verticaal, zodat het kan vliegen als een quadrotor.
Dit zogeheten ‘tail sitter' ontwerp is afgeleid van een oud idee, dat zijn commerciële haalbaarheid nog moet bewijzen. "Al gedurende de hele geschiedenis van het vliegen wordt er gedacht aan dergelijke hybride toestellen," zegt Roy, "maar er zijn zoveel technische ontwikkelingen dat het de moeite waard is om het weer eens te proberen. Doordat we nu computers en modern besturingssystemen aan boord kunnen brengen, gaan dingen die vroeger moeilijk waren nu relatief eenvoudig."
Vergeleken met quadrotors, hebben conventionele toestellen met vaste vleugels hun beperkingen. Zo is een startbaan nodig en een minimum snelheid om het toestel in de lucht te houden. Maar Roy legt uit dat toestellen met vaste vleugels veel efficiënter en veel langer kunnen vliegen.

Sensoren 

Hoewel Roy zich meer bezighoudt met software dan met hardware, moet hij op de hoogte blijven van de nieuwste technologieën, vooral op het gebied van sensoren. Omdat het gewicht en het vermogensverbruik zo laag mogelijk moet blijven, zoeken UAV-researchers bijvoorbeeld goedkope lichtgewicht camera's voor navigatie. "Passieve camera's geven inzicht in de omgeving. Ik denk dat puur op vision gebaseerde navigatie nog niet 100% betrouwbaar is, maar er zijn veel ontwikkelingen gaande. Het zou geweldig zijn als UAV's met passieve camera's zelfstandig konden navigeren."

Maar tot dusverre is er nog geen sensortechnologie die volledig voldoet. Roy: "GPS levert problemen op in stedelijke omgevingen en camera's zijn vooral ‘s nachts niet toereikend. "Veel van het werk van ons team is gericht op nauwkeurige afstandsmeting, bijvoorbeeld met een laser of een 3D camera. Zulke sensoren zijn zwaar en werken niet in elk domein. Het antwoord wordt waarschijnlijk een samenstelsel van sensoren."

Netjes deelnemen aan luchtverkeer

Voor pakketbezorging moeten UAV's autonomer en intelligenter zijn dan de drones voor oogstbewaking of voor het maken van filmopnamen. Dat geldt zeker als de UAV pakjes moet afleveren in stedelijke gebieden. "De UAV moet slim genoeg zijn om te oordelen over zijn eigen gedrag en optredende problemen," zegt Roy. "Autonomie is de grootste uitdaging voor deze vorm van luchtvaart. Toestellen hebben autonomie nodig om fouten te herstellen en om ander vliegtuigen te zien en er niet tegenaan te botsen. Ze hebben autonomie nodig voor interactie met de luchtverkeersleiding en netjes deel te nemen aan de nationale luchtvaart."

Andere kijk op de wereld 

"Robots zien de wereld als een soort geometrie op heel lag niveau. Een muur is geen muur maar een verzameling pixels waar je niet doorheen kunt. Om te kunnen samenwerken met mensen, moeten robots weten waar bepaalde dingen voor dienen. Als je een robot vraagt om een doos op te pakken of een vrachtwagen te laden, moet hij een semantisch begrip hebben van de dingen waar het om gaat."
Roy is minder gericht op objectherkenning op zich, maar wil vooral robots laten "begrijpen waar objecten zich bevinden en hoe ze ermee kunnen omgaan. Als je beschikt over objectherkenning en begrip van de omgeving kun je door naar de volgende stap: de robot laten zien hoe hij die kennis kan gebruiken om beslissingen te nemen."

Meten en schatten 

Ondanks de steeds verder gaande miniaturisering van computers blijven gewicht- en vermogensbeperkingen een belangrijke uitdaging waar informatie snel genoeg moet worden verwerkt om tijdig beslissingen te nemen. Snel samenvoegen en analyseren van data van diverse sensoren is een hele klus voor realtime systemen zoals UAV's", zegt Roy. Veel van mijn werk betreft het vinden van nuttige inschattingen om te komen tot zeer geode antwoorden ten koste van slechts een beetje nauwkeurigheid en precisie."

Deze inschattingsalgoritmen zijn gebruik in recente experimenten van Roy, waarbij een toestel met vaste vleugels een laser-afstandsmeter meenam en op snelheid vloog rond een drukke parkeergarage. "Als je de informatie van de afstandsmeter zou willen gebruiken voor alle 12 vrijheidsgraden van het toestel, zou dat een veel te grote rekencapaciteit vergen. Maar als je het probleem in kleinere stukjes aanpakt - alleen de informatie die de laser momentaan ziet, kun je toch het juiste resultaat krijgen, maar veel efficiënter."
Zie ook: http://ilp.mit.edu/newsstory.jsp?id=21067