Addestrare i droni a volare velocemente, aggirando anche gli ostacoli più semplici, è un esercizio soggetto a incidenti che può richiedere agli ingegneri di riparare o sostituire i veicoli con una regolarità frustrante.

Ora gli ingegneri del MIT hanno sviluppato un nuovo sistema di addestramento in realtà virtuale per droni che consente a un veicolo di "vedere" un ricco, ambiente virtuale durante il volo in uno spazio fisico vuoto.

Il sistema, che il team ha soprannominato "Flight Goggles, " potrebbe ridurre significativamente il numero di incidenti che i droni subiscono nelle sessioni di addestramento effettive. Può anche fungere da banco di prova virtuale per qualsiasi numero di ambienti e condizioni in cui i ricercatori potrebbero voler addestrare droni a volo veloce.

"Pensiamo che questo sia un punto di svolta nello sviluppo della tecnologia dei droni, per droni che vanno veloci, "dice Sertac Karaman, professore associato di aeronautica e astronautica al MIT. "Se qualcosa, il sistema può rendere i veicoli autonomi più reattivi, Più veloce, e più efficiente".

Karaman e i suoi colleghi presenteranno i dettagli del loro sistema di formazione virtuale alla conferenza internazionale IEEE sulla robotica e l'automazione la prossima settimana. I coautori includono Thomas Sayre-McCord, Guerra d'inverno, Amado Antonini, Jasper Arneberg, Austin Brown, Guilherme Cavalheiro, Dave McCoy, Sebastian Quilter, Fabian Riether, Esdra Tal, Yunus Terzioglu, e Luca Carlone del Laboratory for Information and Decision Systems del MIT, insieme a Yajun Fang del Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory del MIT, e Alex Gorodetsky dei Sandia National Laboratories.

Superare i confini

Karaman era inizialmente motivato da un nuovo, robo-sport estremo:gare competitive di droni, in cui droni telecomandati, guidato da giocatori umani, tentano di sfuggire l'un l'altro attraverso un intricato labirinto di finestre, porte, e altri ostacoli. Karaman si chiedeva:un drone autonomo potrebbe essere addestrato a volare altrettanto velocemente, se non più veloce, di questi veicoli controllati dall'uomo, con una precisione e un controllo ancora migliori?

"Nei prossimi due o tre anni, vogliamo partecipare a una competizione di corse di droni con un drone autonomo, e batti il ​​miglior giocatore umano, " dice Karaman. Per farlo, la squadra avrebbe dovuto sviluppare un regime di allenamento completamente nuovo.

Attualmente, addestrare droni autonomi è un compito fisico:i ricercatori pilotano droni in grandi, campi di prova chiusi, in cui spesso appendono grandi reti per catturare eventuali veicoli in carenaggio. Hanno anche allestito oggetti di scena, come finestre e porte, attraverso il quale un drone può imparare a volare. Quando i veicoli si schiantano, devono essere riparati o sostituiti, che ritarda lo sviluppo e si aggiunge al costo di un progetto.

Karaman afferma che testare i droni in questo modo può funzionare per veicoli che non sono destinati a volare velocemente, come i droni programmati per mappare lentamente l'ambiente circostante. Ma per i veicoli a volo veloce che devono elaborare rapidamente le informazioni visive mentre volano attraverso un ambiente, è necessario un nuovo sistema di formazione.

"Nel momento in cui desideri eseguire un'elaborazione ad alto rendimento e andare veloce, anche i minimi cambiamenti che apporterai al suo ambiente causeranno l'arresto anomalo del drone, "Dice Karaman. "Non puoi imparare in quell'ambiente. Se vuoi superare i limiti sulla velocità con cui puoi andare a calcolare, hai bisogno di una sorta di ambiente di realtà virtuale."

Occhiali da volo

Il nuovo sistema di allenamento virtuale del team comprende un sistema di motion capture, un programma di rendering di immagini, e l'elettronica che consente al team di elaborare rapidamente le immagini e trasmetterle al drone.

Lo spazio di prova effettivo, una palestra simile a un hangar nella nuova struttura di test dei droni del MIT nell'Edificio 31, è fiancheggiato da telecamere di acquisizione del movimento che tracciano l'orientamento del drone mentre sta volando.

Con il sistema di rendering delle immagini, Karaman e i suoi colleghi possono disegnare scene fotorealistiche, come un loft o un soggiorno, e trasmetti queste immagini virtuali al drone mentre vola attraverso la struttura vuota.

"Il drone volerà in una stanza vuota, ma sarà 'allucinare' un ambiente completamente diverso, e imparerai in quell'ambiente, "Spiega Karaman.

Le immagini virtuali possono essere elaborate dal drone a una velocità di circa 90 fotogrammi al secondo, circa tre volte più veloce di quanto l'occhio umano può vedere ed elaborare le immagini. Per abilitare questo, i circuiti stampati su misura del team che integrano un potente supercomputer embedded, insieme a un'unità di misura inerziale e una fotocamera. Si adattano a tutto questo hardware in un piccolo, Telaio del drone in nylon stampato in 3D e rinforzato con fibra di carbonio.

Un corso accelerato

I ricercatori hanno condotto una serie di esperimenti, incluso uno in cui il drone ha imparato a volare attraverso una finestra virtuale di circa il doppio delle sue dimensioni. La finestra è stata impostata all'interno di un soggiorno virtuale. Mentre il drone volava nell'effettivo, impianto di prova vuoto, i ricercatori hanno trasmesso immagini della scena del soggiorno, dal punto di vista del drone, torna al veicolo. Mentre il drone volava attraverso questa stanza virtuale, i ricercatori hanno messo a punto un algoritmo di navigazione, consentendo al drone di apprendere al volo.

Oltre 10 voli, il drone, volando a circa 2,3 metri al secondo (5 miglia all'ora), ha volato con successo attraverso la finestra virtuale 361 volte, solo "sbattere" contro la finestra tre volte, in base alle informazioni di posizionamento fornite dalle telecamere di acquisizione del movimento della struttura. Karaman sottolinea che, anche se il drone si è schiantato migliaia di volte, non avrebbe un grande impatto sui costi o sui tempi di sviluppo, poiché si schianta in un ambiente virtuale e non ha alcun contatto fisico con il mondo reale.

In una prova finale, il team ha creato una finestra effettiva nella struttura di prova, e ha acceso la fotocamera di bordo del drone per consentirgli di vedere ed elaborare l'ambiente circostante. Utilizzando l'algoritmo di navigazione che i ricercatori hanno messo a punto nel sistema virtuale, il drone, oltre otto voli, è stato in grado di volare attraverso la finestra reale 119 volte, solo schiantarsi o richiedere l'intervento umano sei volte.

"Fa la stessa cosa in realtà, " dice Karaman. "È qualcosa che abbiamo programmato per fare nell'ambiente virtuale, commettendo errori, cadere a pezzi, e apprendimento. Ma non abbiamo rotto nessuna finestra reale in questo processo".

Dice che il sistema di allenamento virtuale è altamente malleabile. Ad esempio, i ricercatori possono inserire le proprie scene o layout in cui addestrare i droni, inclusi dettagliati, repliche mappate con droni di edifici reali, qualcosa che il team sta considerando di fare con lo Stata Center del MIT. Il sistema di allenamento può essere utilizzato anche per testare nuovi sensori, o specifiche per sensori esistenti, per vedere come potrebbero comportarsi su un drone in volo veloce.

"Potremmo provare diverse specifiche in questo ambiente virtuale e dire, 'Se costruisci un sensore con queste specifiche, come aiuterebbe un drone in questo ambiente?'' dice Karaman.

Il sistema può essere utilizzato anche per addestrare i droni a volare in sicurezza intorno agli umani. Ad esempio, Karaman prevede di dividere in due l'attuale struttura di prova, con un drone che vola a metà, mentre un umano, indossando una tuta per la cattura del movimento, cammina nell'altra metà. Il drone "vedrebbe" l'essere umano nella realtà virtuale mentre vola nel proprio spazio. Se si schianta contro la persona, il risultato è virtuale, e innocuo.

"Un giorno, quando sei davvero sicuro di te, puoi farlo in realtà, e fai volare un drone intorno a una persona mentre corre, in modo sicuro, "Dice Karaman. "Ci sono molti esperimenti strabilianti che puoi fare in tutta questa faccenda della realtà virtuale. Col tempo, mostreremo tutte le cose che puoi fare."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.