Utilizzando un nuovo tipo di fotocamere, ricercatori dell'Università di Zurigo hanno dimostrato un robot volante in grado di rilevare ed evitare oggetti in rapido movimento. Un passo verso i droni che possono volare più velocemente in ambienti difficili, ottenere di più in meno tempo.

I droni possono fare molte cose, ma evitare gli ostacoli non è ancora il loro punto forte, specialmente quando si muovono velocemente. Sebbene molti robot volanti siano dotati di telecamere in grado di rilevare ostacoli, in genere occorrono da 20 a 40 millisecondi affinché il drone elabori l'immagine e reagisca. Può sembrare veloce, ma non basta evitare un uccello o un altro fuco, o anche un ostacolo statico quando il drone stesso sta volando ad alta velocità. Questo può essere un problema quando i droni vengono utilizzati in ambienti imprevedibili, o quando ce ne sono molti che volano nella stessa zona.

Reazione di pochi millisecondi

Per risolvere questo problema, i ricercatori dell'Università di Zurigo hanno dotato un quadricottero (un drone con quattro eliche) di speciali telecamere e algoritmi che ne hanno ridotto il tempo di reazione a pochi millisecondi, abbastanza per evitare che gli venga lanciata una palla addosso da una breve distanza. I risultati, pubblicato sulla rivista Robotica scientifica , può rendere i droni più efficaci in situazioni come le conseguenze di un disastro naturale.

"Per le applicazioni di ricerca e soccorso, come dopo un terremoto, il tempo è molto critico, quindi abbiamo bisogno di droni in grado di navigare il più velocemente possibile per ottenere di più con la loro durata limitata della batteria, " spiega Davide Scaramuzza, che guida il Robotics and Perception Group presso l'Università di Zurigo e il NCCR Robotics Search and Rescue Grand Challenge. "Però, navigando veloci i droni sono anche più esposti al rischio di scontrarsi con ostacoli, e ancora di più se questi si muovono. Ci siamo resi conto che un nuovo tipo di fotocamera, chiamato Event Camera, si adattano perfettamente a questo scopo".

Le videocamere per eventi hanno pixel intelligenti

Videocamere tradizionali, come quelli che si trovano in ogni smartphone, lavorare scattando regolarmente istantanee dell'intera scena. Questo viene fatto esponendo i pixel dell'immagine tutti allo stesso tempo. Per di qua, anche se, un oggetto in movimento può essere rilevato solo dopo che tutti i pixel sono stati analizzati dal computer di bordo. Fotocamere per eventi, d'altra parte, dispongono di pixel intelligenti che funzionano indipendentemente l'uno dall'altro. I pixel che non rilevano cambiamenti rimangono muti, mentre quelli che vedono un cambiamento nell'intensità della luce inviano immediatamente le informazioni. Ciò significa che solo una piccola frazione di tutti i pixel dell'immagine dovrà essere elaborata dal computer di bordo, quindi velocizzando molto il calcolo.

Le telecamere per eventi sono un'innovazione recente, e gli algoritmi di rilevamento degli oggetti esistenti per i droni non funzionano bene con loro. Quindi i ricercatori hanno dovuto inventare i propri algoritmi che raccolgono tutti gli eventi registrati dalla telecamera in un tempo molto breve, quindi sottrae l'effetto del movimento del drone, che in genere rappresenta la maggior parte dei cambiamenti in ciò che vede la telecamera.

Solo 3,5 millisecondi per rilevare gli oggetti in arrivo

Scaramuzza e il suo team hanno prima testato da soli le telecamere e gli algoritmi. Hanno lanciato oggetti di varie forme e dimensioni verso la telecamera, e ha misurato l'efficienza dell'algoritmo nel rilevarli. Il tasso di successo variava tra l'81 e il 97 percento, a seconda delle dimensioni dell'oggetto e della distanza del lancio, e il sistema ha impiegato solo 3,5 millisecondi per rilevare gli oggetti in arrivo.

Poi è iniziato il test più serio:mettere le telecamere su un vero drone, facendolo volare sia all'interno che all'esterno e lanciandogli oggetti direttamente. Il drone è stato in grado di evitare gli oggetti, inclusa una palla lanciata da una distanza di tre metri e che viaggiava a 10 metri al secondo, più del 90% delle volte. Quando il drone "conosceva" in anticipo le dimensioni dell'oggetto, una macchina fotografica era sufficiente. Quando, Invece, doveva affrontare oggetti di varia grandezza, sono state utilizzate due telecamere per dargli una visione stereoscopica.

Secondo Scaramuzza, questi risultati mostrano che le telecamere degli eventi possono aumentare la velocità con cui i droni possono navigare fino a dieci volte, ampliando così le loro possibili applicazioni. "Un giorno i droni verranno utilizzati per una grande varietà di applicazioni, come la consegna della merce, trasporto di persone, filmografia aerea e, Certo, cerca e salva, ", afferma. "Ma consentire ai robot di percepire e prendere decisioni più velocemente può essere un punto di svolta anche per altri ambiti in cui il rilevamento affidabile degli ostacoli in arrivo gioca un ruolo cruciale, come quello automobilistico, buona consegna, trasporto, estrazione, e ispezione remota con robot".

Quasi affidabile quanto i piloti umani

Nel futuro, il team mira a testare questo sistema su un quadrirotore ancora più agile. "Il nostro obiettivo finale è quello di far sì che un giorno i droni autonomi navighino bene quanto i piloti di droni umani. Attualmente, in tutte le applicazioni di ricerca e soccorso in cui sono coinvolti i droni, l'essere umano ha effettivamente il controllo. Se potessimo avere droni autonomi che navigano affidabili quanto i piloti umani, allora potremmo usarli per missioni che cadono oltre la linea di vista o fuori dalla portata del telecomando, " dice Davide Falanga, il dottorato studente che è l'autore principale dell'articolo.