Hệ thống giúp máy bay không người lái vận hành ở khu vực lạ

Máy bay không người lái thường tỏ ra thận trọng khi vận hành trong những khu vực lạ. Chúng tiến từ từ, và liên tục lập bản đồ các khu vực xa lạ trước khi tiếp tục di chuyển để không đâm vào các vật thể. Sự chậm chạp này là một rào cản với các nhiệm vụ đòi hỏi thời gian cấp bách, chẳng hạn như bay tìm kiếm và cứu hộ trong các khu rừng rậm rạp.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu MIT đã phát triển một mô hình lập kế hoạch quỹ đạo giúp máy bay không người lái bay với tốc độ cao qua các khu vực chưa được khám phá trước đó, trong khi vẫn đảm bảo an toàn.

Mô hình, được đặt tên một cách khéo léo là FASTER, trước tiên ước tính đường đi nhanh nhất có thể từ điểm bắt đầu tới điểm đến và không hề tính đến độ an toàn. Nhưng khi máy bay bay, mô hình liên tục ghi lại các đường bay dự phòng, an toàn và tránh va chạm, có thể lệch một chút so với đường bay nhanh nhất ban đầu. Khi máy bay không có thông tin chắc chắn về một khu vực cụ thể, nó sẽ bay theo đường dự phòng và lên kế hoạch lại đường bay. Nhờ mô hình này, máy bay không người lái có thể vận hành ở tốc độ cao theo quỹ đạo ngắn nhất, và đôi khi mới phải chậm lại để đảm bảo an toàn.

"Chúng ta luôn muốn bay theo con đường nhanh nhất, nhưng không phải lúc nào cũng có thể chắc chắn rằng con đường này an toàn. Khi di chuyển dọc theo con đường nhanh nhất và phát hiện ra có vấn đề, thì cần có kế hoạch dự phòng", theo Jesus Tordesillas, sinh viên tốt nghiệp Khoa Hàng không và Du hành vũ trụ và là tác giả chính của báo cáo mô tả về mô hình này. Báo cáo sẽ được trình bày tại Hội nghị quốc tế vào tháng tới về Robot và hệ thống thông minh. "Chúng tôi thu thập cả quỹ đạo vận tốc cao/ có thể không an toàn và quỹ đạo vận tốc chậm/ hoàn toàn an toàn. Hai quỹ đạo này được kết hợp lại với nhau".

Trong các mô phỏng rừng, nơi một máy bay không người lái ảo điều hướng xung quanh các hình trụ đại diện cho cây cối, máy bay không người lái chạy bằng mô hình FASTER đã hoàn thành đường bay nhanh hơn khoảng hai lần so với các mô hình truyền thống. Trong các thử nghiệm thực tế, máy bay không người lái chạy bằng FASTER di chuyển xung quanh các hộp các tông trong một căn phòng lớn đạt tốc độ 7,8 mét/ giây. Các nhà nghiên cứu cho biết mô hình này phá vỡ giới hạn tốc độ của máy bay không người lái, dựa trên trọng lượng và thời gian phản ứng.

"Đây có thể là tốc độ nhanh nhất mà máy bay không người lái có thể đạt được", đồng tác giả Jonathan How, giáo sư Khoa Hàng không và Du hành vũ trụ cho biết. "Nếu bạn đang đứng trong một căn phòng có máy bay không người lái bay 7 đến 8 mét/ giây, bạn có thể sẽ giật mình lùi lại".

Đồng tác giả khác của báo cáo là Brett T. Lopez, cựu nghiên cứu sinh về hàng không vũ trụ và hiện là nghiên cứu sinh tại Phòng thí nghiệm sức đẩy phản lực của NASA.

Máy bay không người lái sử dụng máy ảnh để chụp môi trường dưới dạng các voxel - hình khối trong không gian 3D được tạo ra dựa trên thông tin về chiều sâu của không gian. Khi máy bay không người lái bay, mỗi voxel được phát hiện sẽ được gán nhãn là "không gian trống"/ không bị chiếm dụng bởi các vật thể hoặc "không gian có vật thể". Phần còn lại của môi trường là "không gian không xác định".

FASTER sử dụng cả ba loại không gian đó để lập kế hoạch ba loại quỹ đạo - "toàn bộ", "an toàn" và "đã cam kết". Quỹ đạo "toàn bộ" là toàn bộ đường đi từ điểm A đến mục tiêu B, qua các khu vực đã biết và chưa biết. Mô hình sử dụng phân tách lồi - kỹ thuật phân tách các mô hình phức tạp thành các thành phần riêng biệt, tạo ra các khối đa diện mô hình hóa ba loại không gian trong một môi trường. Bằng một số kỹ thuật hình học và các ràng buộc toán học và từ các khối đa diện này, FASTER tính toán một quỹ đạo "toàn bộ" tối ưu.

Đồng thời, FASTER lên kế hoạch quỹ đạo "an toàn". Dọc theo quỹ đạo "toàn bộ", mô hình đặt ra một điểm cứu hộ - đánh dấu vị trí cuối cùng một máy bay không người lái có thể di chuyển sang "không gian trống" không bị cản trở, dựa trên tốc độ và các yếu tố khác. Để tìm một điểm đến an toàn, nó tính toán các khối đa diện mới bao phủ "không gian trống" đã biết. Sau đó, nó xác định vị trí bên trong các khối đa diện mới này. Về cơ bản, máy bay không người lái dừng lại ở một điểm an toàn, nhưng gần nhất có thể với "không gian không xác định", cho phép chuyển hướng hiệu quả.

Quỹ đạo đã cam kết bao gồm khoảng đầu tiên của quỹ đạo "toàn bộ" và toàn bộ quỹ đạo "an toàn". Nhưng khoảng đầu tiên này không phụ thuộc vào quỹ đạo "an toàn", và do đó nó không bị ảnh hưởng bởi hệ thống phanh, cũng như tốc độ chậm, cần thiết cho quỹ đạo an toàn.

Máy bay không người lái tính toán lại từng quỹ đạo "toàn bộ" tại một thời điểm, trong khi luôn theo dõi quỹ đạo an toàn. Nhưng nó hoạt động trong một giới hạn thời gian: Khi đến điểm cứu hộ, nó phải tính toán thành công quỹ đạo "toàn bộ" tiếp theo thông qua không gian đã biết hoặc chưa biết. Nếu không hoàn thành kịp, nó sẽ nhân điểm cứu hộ này để chuyển sang quỹ đạo "an toàn", chậm hơn quỹ đạo "toàn bộ". Cách tiếp cận này cho phép máy bay không người lái duy trì vận tốc cao dọc theo quỹ đạo đã cam kết, là chìa khóa để đạt được tốc độ tổng thể cao.

Để làm việc này, các nhà nghiên cứu đã phải thiết kế các cách để máy bay không người lái xử lý tất cả dữ liệu lập kế hoạch rất nhanh. Đây là một thách thức vì các bản đồ rất đa dạng, ví dụ, giới hạn thời gian cho mỗi quỹ đạo đã cam kết ban đầu thay đổi đáng kể. Điều này yêu cầu rất cao về mặt tính toán và làm chậm việc lên kế hoạch, vì vậy các nhà nghiên cứu đã phát triển một phương pháp để nhanh chóng tính toán thời gian cố định cho tất cả các khoảng thời gian trên các quỹ đạo, giúp đơn giản hóa các tính toán. Các nhà nghiên cứu cũng thiết kế các phương pháp để giảm số lượng khối đa diện mà máy bay không người lái phải xử lý để dùng cho việc lập bản đồ môi trường xung quanh. Cả hai phương pháp đó giảm đáng kể thời gian lập kế hoạch.

"Làm thế nào để tăng tốc độ bay và duy trì sự an toàn là một trong những vấn đề khó khăn nhất đối với kế hoạch chuyển động của drone", theo Sikang Liu - kỹ sư phần mềm tại Waymo, trước đây là kỹ sư dự án xe tự lái của Google, và là một chuyên gia về thuật toán lập kế hoạch quỹ đạo. "Công việc này đã cho thấy một giải pháp tuyệt vời bằng cách tăng cường khung lập quỹ đạo hiện có. Trong quá trình tối ưu hóa quỹ đạo, việc phân bổ thời gian luôn là một vấn đề khó khăn có thể dẫn đến các hành vi không mong muốn (của máy bay). Đây có thể là một đóng góp sâu sắc cho lĩnh vực này. "

Các nhà nghiên cứu hiện đang chế tạo máy bay không người lái lớn hơn chạy bằng FASTER, với cánh quạt được thiết kế cho phép bay ngang ổn định.

Một ứng dụng tiềm năng cho FASTER, được phát triển với sự hỗ trợ của Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ, là cải thiện các nhiệm vụ tìm kiếm và cứu hộ trong môi trường rừng, nơi đặt ra nhiều thách thức về lập kế hoạch và điều hướng cho máy bay không người lái tự trị. Tuy nhiên, "khu vực không xác định" không nhất thiết phải là khu rừng, How nói. "Đó có thể là bất kỳ nơi nào mà bạn chưa biết rõ. Mục đích chính là xây dựng máy bay không người lái nhanh nhẹn hơn".

http://news.mit.edu/2019/system-prevents-speedy-drones-crashing-unfamiliar-areas-1025