Encontrar excursionistas perdidos en los bosques puede ser un proceso difícil y prolongado, ya que los helicópteros y los drones no pueden vislumbrar el grueso dosel de los árboles. Recientemente, se ha propuesto que los drones autónomos, que pueden balancearse y tejer a través de los árboles, podrían ayudarestas búsquedas. Pero las señales de GPS utilizadas para guiar la aeronave pueden ser poco confiables o inexistentes en entornos forestales.
En un documento que se presentó en la conferencia del Simposio Internacional sobre Robótica Experimental la próxima semana, los investigadores del MIT describen un sistema autónomo para una flota de drones para buscar en colaboración bajo densas cubiertas forestales. Los drones solo usan computación a bordo y comunicación inalámbrica, no GPSnecesario.
Cada dron quadrotor autónomo está equipado con buscadores de rango láser para la estimación de posición, localización y planificación de rutas. A medida que el dron vuela, crea un mapa tridimensional individual del terreno. Los algoritmos lo ayudan a reconocer inexplorados y ya buscadospuntos, para que sepa cuándo está completamente mapeado un área. Una estación terrestre fuera del tablero fusiona mapas individuales de múltiples drones en un mapa global en 3-D que puede ser monitoreado por rescatadores humanos.
En una implementación del mundo real, aunque no en el sistema actual, los drones vendrían equipados con detección de objetos para identificar a un excursionista perdido. Cuando se ubica, el dron etiquetaría la ubicación del excursionista en el mapa global. Los humanos podrían usar estoinformación para planificar una misión de rescate.
"Básicamente, estamos reemplazando a los humanos con una flota de drones para hacer que la búsqueda del proceso de búsqueda y rescate sea más eficiente", dice el primer autor Yulun Tian, un estudiante graduado en el Departamento de Aeronáutica y Astronáutica AeroAstro.
Los investigadores probaron varios drones en simulaciones de bosques generados al azar, y probaron dos drones en un área boscosa dentro del Centro de Investigación Langley de la NASA. En ambos experimentos, cada dron mapeó un área de aproximadamente 20 metros cuadrados en aproximadamente dos a cinco minutos ylos drones también funcionaron bien en varias métricas, incluida la velocidad general y el tiempo para completar la misión, la detección de las características del bosque y la fusión precisa de los mapas.
Exploración y mapeo
En cada avión no tripulado, los investigadores montaron un sistema LIDAR, que crea un escaneo 2D de los obstáculos circundantes disparando rayos láser y midiendo los pulsos reflejados. Esto se puede usar para detectar árboles; sin embargo, en los drones, aparecen árboles individualesnotablemente similar. Si un dron no puede reconocer un árbol dado, no puede determinar si ya ha explorado un área.
Los investigadores programaron sus drones para identificar las orientaciones de varios árboles, lo que es mucho más distintivo. Con este método, cuando la señal LIDAR devuelve un grupo de árboles, un algoritmo calcula los ángulos y las distancias entre los árboles para identificar ese grupo ".Los drones pueden usar eso como una firma única para saber si han visitado esta área antes o si es una nueva ", dice Tian.
Esta técnica de detección de funciones ayuda a la estación terrestre a fusionar mapas con precisión. Los drones generalmente exploran un área en bucles, produciendo escaneos a medida que avanzan. La estación terrestre monitorea continuamente los escaneos. Cuando dos drones giran en torno al mismo grupo de árboles,la estación terrestre combina los mapas calculando la transformación relativa entre los drones y luego fusionando los mapas individuales para mantener orientaciones consistentes.
"Calcular esa transformación relativa te dice cómo debes alinear los dos mapas para que corresponda exactamente a cómo se ve el bosque", dice Tian.
En la estación terrestre, el software de navegación robótica denominado "localización y mapeo simultáneos" SLAM, que mapea un área desconocida y realiza un seguimiento de un agente dentro del área, utiliza la entrada LIDAR para localizar y capturar la posición delos drones. Esto ayuda a fusionar los mapas con precisión.
El resultado final es un mapa con características de terreno en 3-D. Los árboles aparecen como bloques de tonos de azul a verde, dependiendo de la altura. Las áreas inexploradas son oscuras pero se vuelven grises a medida que un dron las mapea.El software de planificación de rutas le dice a un dron que siempre explore estas áreas oscuras inexploradas mientras vuela. Producir un mapa tridimensional es más confiable que simplemente conectar una cámara a un dron y monitorear la transmisión de video, dice Tian. Transmitir video a una centralLa estación, por ejemplo, requiere mucho ancho de banda que puede no estar disponible en áreas boscosas.
Búsqueda más eficiente
Una innovación clave es una estrategia de búsqueda novedosa que permite a los drones explorar un área de manera más eficiente. Según un enfoque más tradicional, un dron siempre buscaría el área desconocida más cercana posible. Sin embargo, eso podría estar en cualquier número de direcciones desde elposición actual del dron. El dron generalmente vuela una corta distancia y luego se detiene para seleccionar una nueva dirección.
"Eso no respeta la dinámica del dron [movimiento]", dice Tian. "Tiene que detenerse y girar, lo que significa que es muy ineficiente en términos de tiempo y energía, y realmente no se puede aumentar la velocidad."
En cambio, los drones de los investigadores exploran el área más cercana posible mientras consideran su velocidad y dirección y mantienen una velocidad constante. Esta estrategia, donde el dron tiende a viajar en un patrón en espiral, cubre un área de búsqueda mucho más rápido ".misiones de búsqueda y rescate, el tiempo es muy importante ", dice Tian.
En el documento, los investigadores compararon su nueva estrategia de búsqueda con un método tradicional. En comparación con esa línea de base, la estrategia de los investigadores ayudó a los drones a cubrir significativamente más área, varios minutos más rápido y con velocidades promedio más altas.
Una limitación para el uso práctico es que los drones aún deben comunicarse con una estación terrestre externa para fusionar mapas. En su experimento al aire libre, los investigadores tuvieron que configurar un enrutador inalámbrico que conectara cada avión no tripulado y la estación terrestre.en el futuro, esperan diseñar los drones para que se comuniquen de forma inalámbrica cuando se acerquen entre sí, fusionen sus mapas y luego corten la comunicación cuando se separen. La estación terrestre, en ese caso, solo se usaría para monitorear el mapa global actualizado.
Los coautores del artículo son: Katherine Liu, estudiante de doctorado en el Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial CSAIL y AeroAstro del MIT; Kyel Ok, estudiante de doctorado en CSAIL y el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática; Loc Trany Danette Allen del Centro de Investigación Langley de la NASA; Nicholas Roy, profesor de AeroAstro e investigador de CSAIL; y Jonathan P. How, profesor de Aeronáutica y Astronáutica de Richard Cockburn Maclaurin.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Rob Matheson. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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