211service.com
Odkryto podstawowe prawo manewrowości lotu z dużą prędkością
Niezwykła zdolność ptaków i nietoperzy do szybkiego latania w zagraconych środowiskach, takich jak lasy, od dawna fascynowała ludzi. Rodzi oczywiste pytanie: jak te stworzenia to robią?
Oczywiście muszą rozpoznawać przeszkody i sprawować niezbędną precyzyjną kontrolę nad swoimi ruchami, aby uniknąć kolizji, jednocześnie dążąc do celu. I muszą to robić z niezwykłą szybkością.
Z konwencjonalnego punktu widzenia dowodzenia i kontroli jest to trudne zadanie. Rozpoznawanie obiektów i ocena odległości to trudne problemy, a planowanie trasy jeszcze trudniejsze.
Nawet przy ogromnych zasobach komputerowych, do których ludzie mają dostęp, wcale nie jest oczywiste, jak rozwiązać ten problem. Więc jak latające zwierzęta radzą sobie z tym z nieruchomymi oczami, optyką ze stałą ogniskową i znacznie bardziej ograniczonym przetwarzaniem danych, jest czymś w rodzaju zagadki.
Dzisiaj Ken Sebesta i John Baillieul z Boston University ujawniają, jak to złamali. Ci faceci twierdzą, że latające zwierzęta używają stosunkowo prostego algorytmu do kontrolowania bałaganu, co pozwoliło im wyprowadzić podstawowe prawo, które określa granice zwinnego lotu.
Ich podejście opiera się na idei zwanej optycznym wykrywaniem przepływu, która w ostatnich latach jest przedmiotem rosnącego zainteresowania. Pomysł polega na tym, aby myśleć o polu widzenia nie jako zbiorze odrębnych obiektów w różnych odległościach, ale po prostu jako szeregu punktów poruszających się w polu widzenia.
Tempo ruchu w polu widzenia zależy od takich czynników, jak wielkość i odległość obiektu oraz prędkość lotu.
Jednak optyka wzroku znacznie upraszcza niektóre obliczenia dotyczące tego systemu. W szczególności pozwala na bardzo proste określenie nieuchronnej kolizji.
Okazuje się, że biorąc pod uwagę, że gałka oczna leci ze stałą prędkością w kierunku obiektu, szybkość zmiany rozmiaru obrazu obiektu na siatkówce gałki ocznej określa czas uderzenia. To proste obliczenia, które nie wymagają znajomości wielkości obiektu, odległości ani nawet prędkości zamykania.
Wtedy stosunkowo łatwo jest określić, kiedy kolizja jest nieunikniona i odpowiednio dostosować kurs. To jest coś, co można zrobić z bezpośrednim sprzężeniem zwrotnym z układu optycznego w bardzo wydajny sposób.
Praca, którą wykonali Sebesta i Baillieul, polegała na uogólnieniu tego obliczenia dla dowolnego punktu w polu widzenia i obliczeniu nie tylko tego, kiedy kolizja jest nieuchronna, ale kiedy gałka oczna mija obiekt.
Następnie stosują tę metodę do pola widzenia jako całości, aby określić, kiedy kolizje są prawdopodobne i stworzyć system sterowania, który umożliwia korektę kursu.
Ich wniosek jest taki, że podejście oparte na przepływie optycznym prowadzi do fundamentalnego ograniczenia zwinności lotu z dużą prędkością. Czynnikami, które to określają, są wielkość i gęstość przeszkód na polu bałaganu oraz ilość, którą Sebesta i Baillieul nazywają władzą sterową, zasadniczo promień skrętu pilota.
Okazuje się, że istnieje krytyczny poziom manewrowości. Pokazano, że istnieją krytyczne poziomy autorytetu sterowania, nieco poniżej których przejście przez pole przeszkód jest prawie niemożliwe, a nieco powyżej których jest prawie pewne, że będzie możliwa do zrealizowania ścieżka bezkolizyjna, mówią.
To fascynujący wynik. Nakłada fundamentalne ograniczenie na zdolność każdego pilota do szybkiego poruszania się w środowisku. Pozwala to również na opracowanie stosunkowo prostego algorytmu osiągnięcia tego limitu lub czegoś zbliżonego, wykorzystującego sprzężenie zwrotne danych obrazu.
Rzeczywiście, Sebesta i Baillieul już wykorzystują to w specjalnie skonstruowanym UAV opartym na popularnym płatowcu quadkoptera, wyposażonym w czujniki ruchu, kamerę pokładową i komputer jednopłytkowy Gumstix Fire. Nasze laboratorium prowadzi obecnie testy swobodnego lotu w pomieszczeniach wraz z wybranymi testami lotu na uwięzi na zewnątrz, mówią.
To otwiera możliwość autonomicznych pojazdów powietrznych pikujących i nurkujących w zagraconych środowiskach, takich jak krogulce przez las. I robi to w niezbyt odległej przyszłości.
Nr ref.: arxiv.org/abs/1203.2816 : Zwinny lot inspirowany zwierzętami przy użyciu optycznego wykrywania przepływu