Spolupráca hardvéru a riadenia vzdušných robotov

V poslednom seminári Stanford Online sa Mark Mueller z UC Berkeley venoval fascinujúcemu výskumu v oblasti vzdušných robotov. Jeho prednáška, "Hardware / controls co-design to overcome challenges for aerial robots," preskúmala inovatívne prístupy k riešeniu problémov s pohybom v prekážaných prostrediach a maximalizácii letovej výdrže. Muellerova skupina predstavila široké spektrum riešení, od algoritmických optimalizácií až po radikálne zmeny v dizajne hardvéru, čím demonštrovala potrebu integrovaného prístupu k návrhu vzdušných robotov.

Kľúčové poznatky

• Integrovaný dizajn: Tradičný postup, kde sa mechanika a riadenie navrhujú oddelene, je zastaraný. Skutočné pokroky vyžadujú simultánny dizajn hardvéru a softvéru.
• Rôzne prístupy k prekážaným prostrediám: Predstavené boli tri hlavné stratégie: "Smarter" (inteligentnejšie) algoritmy, "Smaller" (menšie) roboty s tvarovateľnosťou a "Cheating" (podvodnícke) roboty, ktoré prijímajú kolízie.
• Optimalizácia energetickej efektivity: Okrem navigácie v prekážaných prostrediach je kľúčová aj maximalizácia letovej výdrže. Muellerova skupina skúma rôzne metódy, vrátane adaptívneho riadenia trajektórií a inovatívnych dizajnov, ako sú "lietajúce batérie".
• Automatizovaný dizajn: Cieľom je automatizovať proces návrhu robotov pomocou nástrojov, ktoré poskytnú návrhárom počiatočné, realizovateľné návrhy na ďalšie spracovanie.

Navigácia v prekážaných prostrediach: Tri prístupy

Muellerova prednáška sa zamerala na dve hlavné výzvy v oblasti vzdušných robotov: navigáciu v prekážaných prostrediach a maximalizáciu letovej výdrže. Pri riešení prvého problému skupina predstavila tri odlišné stratégie.

"Smarter" prístup: Tento prístup využíva klasickú hierarchiu robotických systémov (odhad stavu, mapovanie/plánovanie). Skupina sa však zameriava na integráciu inteligencie do vnútorných riadiacich cyklov pomocou pokročilých senzorov, ako sú hĺbkové kamery. Využitie pyramidálnej dekompozície priestoru umožňuje rýchlu omietavanie prekážok a vylepšenú navigáciu. Ďalším krokom je "percepcia-aware" plánovanie, ktoré integruje sledovanie vizuálnych prvkov a predikciu rozmazania pohybu do optimalizácie trajektórií.

"Smaller" prístup: Inšpirovaný tvarom vtákov, skupina vyvinula dron s možnosťou meniť svoj tvar pomocou kĺbových ramien a dvojcestných vrtúľ. Táto schopnosť umožňuje dronom prechádzať úzkymi priestormi a vykonávať obmedzené manipulačné úlohy.

"Cheating" prístup: Tento netradičný prístup, inšpirovaný výzvou DARPA Subterranean Challenge, predstavuje tenzorovitú robotu navrhnutú na fungovanie v hustých prostrediach bez vyhýbania sa kolíziam. Táto konštrukcia využíva pevné tyče a ťahové prvky pre robustnú manipuláciu s nárazmi, čím rozdeľuje sily interným spôsobom namiesto vytvárania ohybných momentov. Robot naviguje skokmi do strany po kolízii, čo umožňuje presnejšiu mŕtvu rekonštrukciu vďaka aktualizáciám rýchlosti nula.

Maximalizácia letovej výdrže: Efektivita a inovácie

Okrem navigácie v prekážaných prostrediach je kľúčová aj maximalizácia letovej výdrže. Muellerova skupina skúma rôzne metódy na zlepšenie energetickej efektivity.

"Smarter" prístup: Využíva extremum-seeking control (riadenie hľadaním extrémov) na adaptáciu trajektórií v reálnom čase na základe rýchlosti a sklzu, čo umožňuje optimalizovať spotrebu energie bez podrobného modelu systému.

"Morphing" prístup: Vyvinuli mechanizmus umožňujúci naklápanie vrtúľ bez naklápania samotného tela drona, čím sa zlepšuje manévrovateľnosť a potenciálne aj maximálna rýchlosť a efektivita.

"Cheating" prístup: Skúmajú koncept "lietajúcich batérií" – menších dronov nesúcich dodatočnú energiu, ktorú je možné prenášať na hlavný dron, čím sa efektívne predlžuje jeho dosah.

Automatizácia dizajnu: Budúcnosť vzdušných robotov

Muellerova skupina pracuje na automatizácii procesu návrhu robotov pomocou nástrojov, ktoré poskytnú návrhárom počiatočné, realizovateľné návrhy na ďalšie spracovanie. Používajú metódy ako closed-loop code design (uzavretý riadiaci kód) pre optimalizáciu bodov upevnenia zdvíhacieho zariadenia na zvláštne tvarovaných nákladoch a skúmajú využitie veľkých jazykových modelov (LLM) v rámci genetického algoritmu na generovanie kódu pre riadenie.

Zámysly a odporúčania

Prednáška Marka Muellera ponúka fascinujúci pohľad do budúcnosti vzdušných robotov. Zdôrazňuje potrebu integrovaného prístupu k dizajnu, kde sa mechanika a riadenie navrhujú simultánne. Inovatívne riešenia, ako sú tvarovateľné drony, tenzorovitá geometria pre kolízne odolnosť a "lietajúce batérie", sľubujú revolúciu v spôsobe, akým vzdušné roboty interagujú so svojím prostredím. Automatizácia dizajnu predstavuje ďalší významný krok smerom k efektívnejším a všestrannejším vzdušným systémom. Pre inžinierov a výskumníkov v oblasti robotiky je táto prednáška povinnosťou, ktorá ponúka cenné poznatky a inšpiráciu pre ďalší vývoj.

Dôležité odkazy

• Mark Mueller - UC Berkeley: https://me.berkeley.edu/people/mark-w-mueller/
• Stanford Robotics Seminar Playlist: https://www.youtube.com/playlist?list=PLoROMvodv4rMeercb-kvGLUrOq4HR6BZD
• Stanford Online: https://online.stanford.edu/explore

Približne 195 gCO₂ bolo uvoľnených do atmosféry a na chladenie sa spotrebovalo 0.98 l vody za účelom vygenerovania tohoto článku.