Een drone die in volledige duisternis zijn omgeving verkent zonder camera, lidar of externe positionering: onderzoekers van de TU Delft hebben laten zien dat het mogelijk is. Ze rustten een kleine drone uit met twee kunstmatige ‘snorharen’, waarmee het toestel obstakels kan voelen, langs wanden kan vliegen en zelfs een onbekende ruimte kan verkennen. De resultaten zijn gepubliceerd in Nature.
Inhoudsopgave
Navigeren op de tast
Voor zeer kleine drones is autonome navigatie een uitdaging. Een drone van minder dan 100 gram heeft maar weinig ruimte en draagvermogen voor sensoren, een accu en rekenhardware. Daarnaast werken camera’s niet goed in bijvoorbeeld volledige duisternis, rook of stof. Ook lidar en andere afstandssensoren hebben hun beperkingen.
De onderzoekers van de TU Delft zochten daarom inspiratie bij dieren die juist in dergelijke omstandigheden uitstekend hun weg kunnen vinden. Ratten en andere knaagdieren gebruiken hun snorharen om hun omgeving af te tasten. De Delftse drone doet iets vergelijkbaars: twee lange, flexibele kunstmatige snorharen steken aan de voorkant van het toestel uit en raken tijdens de vlucht voorzichtig obstakels en wanden.
Druksensoren in plaats van ogen
Elke snorhaar is gemaakt van een dunne nitinoldraad van 0,4 millimeter dik en ongeveer 20 centimeter lang. Aan de basis bevinden zich drie kleine druksensoren. Wanneer de draad door contact met een oppervlak buigt, veranderen de drukwaarden. Daaruit kan de drone afleiden waar en hoe ver de snorhaar contact maakt met het oppervlak.
Dat klinkt eenvoudig, maar tijdens het vliegen zorgen de propellers voor luchtstromen en trillingen die de metingen kunnen verstoren. De onderzoekers ontwikkelden daarom een algoritme dat onder meer sensordrift en andere verstoringen corrigeert. Uiteindelijk kan het systeem de afstand tot een oppervlak op millimeterschaal schatten.
Alles onboard
Bijzonder is dat de drone de verwerking volledig zelf uitvoert. Het systeem draait op een STM32F405-microcontroller met slechts 192 KB RAM. De ontwikkelde algoritmen gebruiken daarvan ongeveer 34 KB. Er is dus geen krachtige externe computer of extern positioneringssysteem nodig om de tastinformatie te verwerken en de vlucht aan te sturen.
Voor de experimenten gebruikten de onderzoekers een aangepaste Crazyflie 2.1 Brushless. Het toestel weegt zonder de kunstmatige snorharen en bijbehorende hardware ongeveer 33 gram inclusief accu. De complete snorhaarconstructie voegde ongeveer 6 gram toe.
Vliegen zonder zicht
De resultaten zijn opvallend. De drone kan op basis van aanraking obstakels ontwijken en langs oppervlakken vliegen. Ook kan hij in volledige duisternis de contouren van een omgeving volgen. Daarbij werden zowel harde als zachte oppervlakken getest.
De onderzoekers gingen nog een stap verder. Door de informatie die de snorharen tijdens het vliegen verzamelen te combineren met een algoritme voor actieve verkenning, kan de drone een onbekende, afgesloten ruimte in kaart brengen. In simulaties wist het systeem in negen van tien gevallen binnen vijf minuten een uitgang te vinden.
Interessant voor zoek- en reddingsmissies
Volgens de onderzoekers kan deze vorm van tastwaarneming vooral interessant zijn voor kleine drones die moeten opereren op plaatsen waar traditionele sensoren tekortschieten. Denk aan donkere gebouwen, tunnels, grotten of ruimtes die door rook of stof slecht zichtbaar zijn. Ook in omgevingen zonder GPS kan de techniek een aanvullende vorm van navigatie bieden.
Dat betekent overigens niet dat camera’s of lidar overbodig worden. Juist de combinatie van verschillende waarnemingsmethoden kan interessant zijn. Een drone die normaal gesproken met zijn camera navigeert, zou in omstandigheden waarin het zicht wegvalt kunnen terugvallen op zijn ‘snorharen’.
Het onderzoek laat daarmee vooral zien dat autonome drones niet altijd méér en zwaardere sensoren nodig hebben. Soms kan een heel eenvoudig principe uit de natuur – voelen in plaats van kijken – een kleine drone toegang geven tot omgevingen waar zien geen optie meer is.
