Σε μια πρωτοποριακή έρευνα με επικεφαλή τον Δρ. Fu Zhang, επίκουρο καθηγητή του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου του Χονγκ Κονγκ (HKU), αναπτύχθηκε ένα μηχανοκίνητο εναέριο ρομπότ καθοδηγούμενο από αισθητήρα laser (LiDAR), το επονομαζόμενο PULSAR,  το οποίο είναι έτοιμο να επαναπροσδιορίσει τον κόσμο των μη κατευθυνόμενων εναέριων οχημάτων (UAV).

Τα UAV διαδραματίζουν ήδη έναν ολοένα και πιο ζωτικό ρόλο σε πεδία όπως search & rescue αποστολές, στην τοπογράφηση σπηλαίων και στην αρχιτεκτονική χαρτογράφηση. Το PULSAR, που ονομάστηκε εύστοχα λόγω των ομοιοτήτων του με την αυτοπεριστροφή και το μοτίβο σάρωσης ενός αστρονομικού pulsar, οδηγεί την τεχνολογία UAV σε νέα ύψη. Με έναν μικροϋπολογιστή και έναν αισθητήρα LiDAR, το PULSAR διαθέτει πλήρεις ενσωματωμένες δυνατότητες αντίληψης, χαρτογράφησης, σχεδιασμού και ελέγχου τόσο σε εσωτερικούς όσο και σε εξωτερικούς χώρους, χωρίς να απαιτούνται εξωτερικά όργανα.

Το μυστικό για την απίστευτη λειτουργικότητα του PULSAR βρίσκεται στον μοναδικό κινητήρα του, ο οποίος τροφοδοτεί τον μηχανισμό χωρίς πτερύγια και παρέχει τόσο ώθηση όσο και ροπή. Μέσα από μια σειρά πειραμάτων, η ομάδα του Dr. Zhang απέδειξε την ικανότητα του PULSAR να ανιχνεύει στατικά και δυναμικά εμπόδια σε πραγματικό χρόνο, να παρακολουθεί πολύπλοκες τροχιές και να πλοηγείται αυτόνομα ακόμη και σε απόλυτο σκοτάδι.

Η ευελιξία του PULSAR επεκτείνεται επίσης στην αντοχή σε εξωτερικές διαταραχές του ανέμου, επιτρέποντας ασφαλέστερες και σταθερότερες πτήσεις σε απρόβλεπτες συνθήκες. Με μέγιστη ταχύτητα ανέμου 4.5 m/s, το PULSAR μπορεί να διατηρήσει τη θέση αιώρησης σε μικρή περιοχή. Αυτό το χαρακτηριστικό επιτρέπει μια ασφαλέστερη και σταθερή πτήση σε ένα άγριο περιβάλλον.

Εκτός από τις προαναφερθείσες δυνατότητές του, το drone μπορεί επίσης να επεκτείνει το οπτικό πεδίο (FOV) μέσω της κίνησης αυτοπεριστροφής, η οποία ενισχύει την αντίληψη και την αποτελεσματικότητα των εργασιών του UAV. Επί του παρόντος, υπάρχουν δύο κύριες προσεγγίσεις για την επέκταση του FOV, αλλά και οι δύο καταναλώνουν σημαντική ποσότητα ενέργειας.

Λειτουργία ανίχνευσης με LiDAR

Η πρώτη προσέγγιση περιλαμβάνει τη χρήση αισθητήρων με μεγάλο FOV, όπως κάμερες fisheye, καταδιοπτρικές κάμερες ή LiDAR 360°, οι οποίοι τείνουν να παράγουν παραμορφώσεις. Ωστόσο, το LiDAR 360° έχει μικρό και χαμηλής ανάλυσης FoV στην κατακόρυφη κατεύθυνση. Η δεύτερη προσέγγιση περιλαμβάνει τη χρήση πολλαπλών αισθητήρων, όπως ένα σύστημα πολλαπλών καμερών ή πολλαπλών LiDAR, αλλά αυτό συνεπάγεται πρόσθετο κόστος και οδηγεί σε μεγαλύτερους χρόνους επεξεργασίας δεδομένων.

Η εφεύρεση του PULSAR μπορεί να εξοικονομήσει 26.7% της κατανάλωσης ενέργειας σε σύγκριση με ένα συμβατικό UAV τεσσάρων κινητήρων με την ίδια επιφάνεια δίσκου έλικας και ωφέλιμο φορτίο, διατηρώντας παράλληλα καλή ευελιξία. Χάρη στο σύστημα πρόωσης με έναν μόνο κινητήρα, το PULSAR παρουσιάζει λιγότερες απώλειες μετατροπής ενέργειας, με αποτέλεσμα υψηλή απόδοση πτήσης 6.65g/W.

Παρά το μικρό του μέγεθος, με διάμετρο μόλις 37.6 cm και χωρητικότητα μπαταρίας μόλις 41 Wh, αυτό το UAV των 1234 g πέτυχε χρόνο αιώρησης πάνω από 12 λεπτά. Με την αφαίρεση του αισθητήρα LiDAR και την εγκατάσταση μεγαλύτερης έλικας και μπαταρίας, ο χρόνος αιώρησης του PULSAR μπορεί να επεκταθεί σε περισσότερα από 40 λεπτά.

Στο παρακάτω video μπορείτε να δείτε μια επίδειξη των λειτουργιών του PULSAR.

Ο Δρ. Zhang δήλωσε ότι η ερευνητική πλατφόρμα που δημιούργησε η ομάδα του θα μπορούσε να ευνοήσει την περαιτέρω εξερεύνηση των αυτοπεριστρεφόμενων UAV. “Πιστεύουμε ότι θα διευκολύνει την έρευνα των μεθόδων ελέγχου UAV υπό περιστροφή υψηλής ταχύτητας και των τεχνικών ταυτόχρονου εντοπισμού και χαρτογράφησης SLAM, υπό κίνηση υψηλών απαιτήσεων”.

Παραπομπές:

Nan Chen et al, A self-rotating, single-actuated UAV with extended sensor field of view for autonomous navigation, Science Robotics (2023). DOI: 10.1126/scirobotics.ade4538