SUPER:Robot Udara Berkecepatan Tinggi yang Terjamin Keamanannya dari Universitas Hong Kong Merevolusi Navigasi Drone

Andrew Corselli

SUPER dapat menavigasi lingkungan yang kompleks dengan kecepatan tinggi dengan tingkat keamanan yang sebelumnya tidak dapat dicapai. (Gambar:HKU)

Tidak seperti burung, yang menavigasi lingkungan yang tidak diketahui dengan kecepatan dan kelincahan luar biasa, drone biasanya mengandalkan panduan eksternal atau rute yang telah dipetakan sebelumnya. Namun, pengembangan yang dilakukan oleh Profesor Fu Zhang dan peneliti dari Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Hong Kong (HKU) telah memungkinkan drone dan kendaraan udara mikro (MAV) untuk meniru kemampuan terbang burung lebih dari sebelumnya.

Tim ini telah mengembangkan Robot Udara Berkecepatan Tinggi (SUPER) yang Terjamin Keamanannya, yang mampu terbang dengan kecepatan melebihi 20 meter per detik [sekitar 45 mil per jam] dan menghindari rintangan setipis 2,5 milimeter [sekitar 0,1 inci] — seperti kabel listrik atau ranting — hanya dengan menggunakan sensor bawaan dan daya komputasi. Dengan desain kompak yang memiliki jarak sumbu roda hanya 280 mm [sekitar 11 inci] dan berat lepas landas 1,5 kg [sekitar 3,3 pon], SUPER menunjukkan kelincahan yang luar biasa.

Zhang menggambarkan penemuan ini sebagai terobosan dalam bidang teknologi drone, "Bayangkan 'Burung Robot' yang bermanuver dengan cepat melalui hutan, dengan mudah menghindari cabang dan rintangan dengan kecepatan tinggi. Ini merupakan langkah maju yang signifikan dalam teknologi penerbangan otonom. Sistem kami memungkinkan MAV untuk menavigasi lingkungan yang kompleks dengan kecepatan tinggi dengan tingkat keamanan yang sebelumnya tidak dapat dicapai. Ini seperti memberi drone refleks seperti burung, sehingga memungkinkannya menghindari rintangan secara real-time sambil berlari menuju tujuannya.”

Terobosannya terletak pada integrasi perangkat keras dan perangkat lunak yang canggih. SUPER menggunakan sensor pendeteksi dan jangkauan cahaya 3D (LiDAR) ringan yang mampu mendeteksi rintangan hingga jarak 70 meter [sekitar 230 kaki] dengan akurasi yang tepat. Hal ini dipadukan dengan kerangka perencanaan tingkat lanjut yang menghasilkan dua lintasan selama penerbangan:lintasan yang mengoptimalkan kecepatan dengan menjelajah ke ruang yang tidak diketahui dan lintasan lainnya yang memprioritaskan keselamatan dengan tetap berada di zona bebas hambatan yang diketahui.

Dengan memproses data LiDAR secara langsung sebagai point cloud, sistem ini secara signifikan mengurangi waktu komputasi, sehingga memungkinkan pengambilan keputusan dengan cepat bahkan pada kecepatan tinggi. Teknologi ini telah diuji dalam berbagai aplikasi kehidupan nyata, seperti eksplorasi situs kuno secara otonom, dan telah menunjukkan navigasi yang lancar baik di lingkungan dalam maupun luar ruangan.

"Kemampuan untuk menghindari rintangan kecil dan bernavigasi di ruang sempit membuka kemungkinan baru untuk penerapan seperti pencarian dan penyelamatan, yang setiap detiknya sangat berarti. Ketangguhan SUPER dalam berbagai kondisi pencahayaan, termasuk malam hari, menjadikannya alat yang andal untuk pengoperasian sepanjang waktu," kata Penulis Utama Yunfan Ren.

Berikut adalah Ringkasan Teknologi eksklusif wawancara, diedit agar panjang dan jelas, dengan Zhang.

Ringkasan Teknologi :Apa tantangan teknis terbesar yang Anda hadapi saat mengembangkan SUPER?

Zhang :Rintangan terbesarnya adalah membuat drone kecil yang dapat terbang sangat cepat melalui tempat-tempat yang tidak dikenal dan berantakan seperti hutan atau zona bencana tanpa mengalami kecelakaan. Kami membutuhkannya untuk berpikir dan bereaksi dengan cepat hanya dengan menggunakan sensor dan komputer terpasang, yang mana hal tersebut sangat tangguh. Drone tersebut harus mengenali rintangan dari jarak jauh, merencanakan jalur aman dalam beberapa milidetik, dan menghindari bahaya tersembunyi di area yang belum sepenuhnya terlihat. Menggabungkan semua hal ini — kecepatan, keamanan, dan perencanaan real-time — dalam sebuah drone kecil merupakan sebuah tantangan besar.

Ringkasan Teknologi :Bisakah Anda menjelaskan secara sederhana cara kerja SUPER?

Zhang :SUPER adalah drone kecil dan super lincah yang dapat melintasi tempat tak dikenal dengan kecepatan tinggi, misalnya 45 mil per jam, tanpa menabrak apa pun. Ia menggunakan sensor laser yang disebut LiDAR untuk “melihat” rintangan hingga jarak 230 kaki, menciptakan peta 3D di sekelilingnya, seperti pohon, kabel, atau dinding. Setiap sepersepuluh detik, komputer terpasang SUPER merencanakan dua jalur:jalur cepat yang mengasumsikan area yang belum dijelajahi aman, untuk memaksimalkan kecepatan, dan jalur cadangan yang menempel pada area yang diketahui aman, untuk menghindari kerusakan. Pesawat ini memilih jalur terbaik untuk terbang dengan cepat namun tetap aman, semuanya tanpa memerlukan bantuan eksternal seperti GPS atau komputer tambahan.

SUPER telah menjalani pengujian dalam berbagai aplikasi dunia nyata, termasuk situasi dengan kegelapan total dan lingkungan yang berantakan. (Gambar:HKU)

Ringkasan Teknologi :Apa yang menjadi katalisator untuk pekerjaan ini? Bagaimana hal itu bisa terjadi?

Zhang :Kami terinspirasi oleh gagasan drone yang membantu dalam keadaan darurat, seperti menemukan orang di daerah bencana atau mengirimkan pasokan di tempat-tempat sulit di mana kecepatan dan keselamatan sangat penting. Kebanyakan drone terbang dengan cepat namun berisiko jatuh atau terlalu lambat untuk berguna dalam situasi ini. Kami melihat adanya kesenjangan:Belum ada yang membuat drone yang bisa cepat dan aman di tempat yang tidak diketahui hanya dengan menggunakan sensornya sendiri. Jadi, kami mulai membuat SUPER, menggabungkan sensor laser baru dengan perencanaan cerdas untuk membuat drone yang dapat menangani tantangan dunia nyata seperti pencarian dan penyelamatan.

Ringkasan Teknologi :Apakah Anda mempunyai rencana untuk penelitian/pekerjaan/dll lebih lanjut? Jika tidak, apa langkah Anda selanjutnya?

Zhang :Kami bersemangat untuk terus meningkatkan SUPER. Salah satu rencana besarnya adalah membuat kita lebih baik dalam menangani objek bergerak, seperti orang atau kendaraan, dengan memprediksi ke mana mereka akan pergi selanjutnya dan merencanakan jalur yang lebih mulus dan aman. Kami juga ingin menjadikan drone lebih ringan dan lebih aerodinamis, mungkin dengan motor yang lebih baik atau desain yang lebih ramping, sehingga dapat terbang lebih cepat dan menggunakan lebih sedikit energi. Kami sedang mempertimbangkan untuk meningkatkan LiDAR agar dapat melihat objek yang lebih kecil dan jarak yang lebih jauh. Selain itu, kami mencari cara untuk mempercepat software menggunakan chip canggih seperti GPU, membuka pintu bagi penggunaan seperti menjelajahi area yang tidak diketahui, memeriksa jembatan, atau mengirimkan paket dengan cepat dan aman.

Ringkasan Teknologi :Apakah ada hal lain yang ingin Anda tambahkan namun belum saya bahas?

Zhang :Kemampuan SUPER untuk terbang dalam segala kondisi — siang atau malam, melalui hutan lebat atau ruang sempit — menjadikannya istimewa. Ia bahkan dapat menghindari rintangan yang sangat tipis, seperti kawat berukuran 2,5 milimeter, yang sebagian besar drone tidak dapat melihatnya. Hal ini membuatnya siap untuk pekerjaan di dunia nyata, bukan hanya tes laboratorium. Misalnya, ia dapat melacak mobil yang bergerak atau menjelajahi bangunan yang runtuh. Kami bangga bahwa SUPER menunjukkan bagaimana drone dapat beralih dari penelitian menjadi benar-benar membantu orang-orang dalam situasi sulit, seperti bantuan bencana atau tanggap darurat, dan kami berharap hal ini menginspirasi solusi robotika yang lebih praktis.

Ringkasan Teknologi :Apakah Anda punya saran untuk para peneliti yang ingin mewujudkan idenya (secara umum)?

Zhang :Mulailah dengan masalah nyata yang penting bagi orang lain, seperti membuat hidup lebih mudah atau aman. Bergabunglah dengan orang lain yang memiliki keterampilan berbeda — mungkin seseorang yang hebat dalam membuat perangkat keras, ahli coding, atau seseorang yang mengetahui sisi praktisnya. Uji ide Anda sejak dini dan sering, menggunakan simulasi komputer dan eksperimen dunia nyata untuk menemukan masalah dan memperbaikinya. Jangan takut gagal; setiap ujian mengajarkanmu sesuatu. Tetap bersabar dan terus berusaha, karena mengubah ide keren menjadi sesuatu yang berhasil di dunia nyata membutuhkan waktu, ketabahan, dan banyak penyesuaian.

Transkrip

00:00:01 burung telah lama memikat manusia dengan kemampuannya bernavigasi dengan kecepatan tinggi melalui lingkungan yang berantakan sambil mempertahankan tingkat kegagalan yang sangat rendah, serupa dengan microair. Kendaraan di antara mesin paling lincah yang diciptakan manusia memiliki potensi untuk mencapai penerbangan lincah seperti burung, sementara pakar manusia dapat meniru keseimbangan ketangkasan seperti burung

00:00:24 kecepatan tinggi dan keselamatan dalam penerbangan otonom masih menjadi tantangan. Pendekatan yang ada saat ini sering kali mengorbankan keselamatan demi Kecepatan atau sebaliknya. Hal ini menimbulkan pertanyaan kritis bagaimana Mav otonom dapat mencapai penerbangan berkecepatan tinggi dan aman di lingkungan dunia nyata yang tidak diketahui dengan memperkenalkan super udara berkecepatan tinggi yang terjamin keselamatannya

00:00:51 robot super kompak dengan jarak sumbu roda hanya 280 mm dan berat lepas landas 1,5 kg mencapai rasio berat Dorong lebih besar dari 5,0 dilengkapi dengan deteksi cahaya 360° dan sensor jangkauan yang mampu mendeteksi objek hingga jarak 70 M pada kecepatan titik melebihi 200,000 Herz dengan persepsi pembohong tingkat lanjut, keselamatan, perencanaan yang terjamin dan optimal

00:01:20 modul kontrol super menavigasi lingkungan yang tidak dikenal dengan kecepatan lebih dari 20 m/s dengan sepenuhnya mengandalkan penginderaan dan perhitungan di dalam pesawat. Modul ini dapat bermanuver dengan gesit melalui lingkungan yang sangat berantakan dengan kecepatan tinggi tanpa mengorbankan keselamatan dengan sistem persepsi canggih berbasis pembohong yang super dapat secara efisien

00:01:51 mendeteksi dan menghindari rintangan tipis seperti kabel listrik, selain itu dapat mengidentifikasi objek tipis kurang dari 2,5 mm hanya dalam 20 milidetik memungkinkan navigasi yang tepat melalui lingkungan menantang yang menimbulkan kesulitan signifikan bagi produk komersial berbasis penglihatan canggih. Mekanisme deteksi aktif pada lar juga memungkinkan super untuk beroperasi

00:02:21 sepanjang hari bahkan dalam kegelapan total berkat kemampuan luar biasa ini, super telah diuji di berbagai aplikasi dunia nyata, dapat diterapkan untuk menjelajahi situs kuno secara mandiri, menavigasi ruang dalam dan luar ruangan dengan mulus, juga dapat melintasi hutan lebat dengan jaminan keamanan

00:02:51 mengatasi rintangan yang kompleks, ketangkasan meluas ke misi pelacakan objek yang memungkinkannya mengikuti target dengan cermat dan menghindari rintangan baik di lingkungan dalam maupun luar ruangan baik siang maupun malam dengan kemampuan navigasi berkecepatan tinggi, desain yang terjamin keselamatan, dan kinerja yang kuat tanda super a

00:03:22 tonggak penting dalam transisi navigasi otonom berkecepatan tinggi dari laboratorium ke aplikasi dunia nyata meskipun para peneliti tidak sempurna berharap super akan membuka kemungkinan baru dalam skenario dunia nyata di masa depan seperti pemetaan inspeksi pengiriman otonom dan misi pencarian dan penyelamatan