Trouver des randonneurs perdus dans les forêts peut être un processus long et difficile, car les hélicoptères et les drones ne peuvent pas apercevoir l'épaisse canopée des arbres. Récemment, il a été proposé que les drones autonomes, qui peut flotter et se faufiler à travers les arbres, pourrait faciliter ces recherches. Mais les signaux GPS utilisés pour guider l'avion peuvent être peu fiables ou inexistants en milieu forestier.

Dans un article présenté à la conférence International Symposium on Experimental Robotics la semaine prochaine, Des chercheurs du MIT décrivent un système autonome permettant à une flotte de drones de rechercher en collaboration sous des couverts forestiers denses. Les drones n'utilisent que des calculs embarqués et une communication sans fil, aucun GPS requis.

Chaque drone quadrotor autonome est équipé de télémètres laser pour l'estimation de position, localisation, et la planification des chemins. Pendant que le drone vole, il crée une carte 3D individuelle du terrain. Des algorithmes l'aident à reconnaître les spots inexplorés et déjà recherchés, il sait donc quand il a entièrement cartographié une zone. Une station au sol externe fusionne les cartes individuelles de plusieurs drones en une carte globale en 3D qui peut être surveillée par des sauveteurs humains.

Dans une mise en œuvre réelle, mais pas dans le système actuel, les drones seraient équipés d'un système de détection d'objets pour identifier un randonneur disparu. Une fois localisé, le drone marquerait l'emplacement du randonneur sur la carte mondiale. Les humains pourraient ensuite utiliser ces informations pour planifier une mission de sauvetage.

"Essentiellement, nous remplaçons les humains par une flotte de drones pour rendre la partie recherche du processus de recherche et de sauvetage plus efficace, " dit le premier auteur Yulun Tian, un étudiant diplômé du Département d'aéronautique et d'astronautique (AeroAstro).

Les chercheurs ont testé plusieurs drones dans des simulations de forêts générées aléatoirement, et testé deux drones dans une zone boisée au sein du Langley Research Center de la NASA. Dans les deux expériences, chaque drone a cartographié une zone d'environ 20 mètres carrés en environ deux à cinq minutes et a fusionné leurs cartes ensemble en temps réel. Les drones ont également bien performé sur plusieurs paramètres, y compris la vitesse globale et le temps pour terminer la mission, détection des caractéristiques de la forêt, et la fusion précise des cartes.

Explorer et cartographier

Sur chaque drone, les chercheurs ont monté un système LIDAR, qui crée un balayage 2D des obstacles environnants en tirant des faisceaux laser et en mesurant les impulsions réfléchies. Cela peut être utilisé pour détecter les arbres; cependant, aux drones, les arbres individuels semblent remarquablement similaires. Si un drone ne peut pas reconnaître un arbre donné, il ne peut pas déterminer s'il a déjà exploré une zone.

Les chercheurs ont programmé leurs drones pour identifier à la place les orientations de plusieurs arbres, ce qui est beaucoup plus distinctif. Avec cette méthode, lorsque le signal LIDAR renvoie un groupe d'arbres, un algorithme calcule les angles et les distances entre les arbres pour identifier ce groupe. "Les drones peuvent l'utiliser comme une signature unique pour dire s'ils ont déjà visité cette zone ou s'il s'agit d'une nouvelle zone, " dit Tian.

Cette technique de détection d'entités aide la station au sol à fusionner avec précision les cartes. Les drones explorent généralement une zone en boucles, produire des scans au fur et à mesure. La station au sol surveille en permanence les scans. Lorsque deux drones tournent autour du même groupe d'arbres, la station au sol fusionne les cartes en calculant la transformation relative entre les drones, puis fusionner les cartes individuelles pour maintenir des orientations cohérentes.

"Le calcul de cette transformation relative vous indique comment vous devez aligner les deux cartes afin qu'elle corresponde exactement à l'apparence de la forêt, " dit Tian.

Dans la station au sol, Un logiciel de navigation robotique appelé "localisation et cartographie simultanées" (SLAM) - qui à la fois cartographie une zone inconnue et suit un agent à l'intérieur de la zone - utilise l'entrée LIDAR pour localiser et capturer la position des drones. Cela l'aide à fusionner les cartes avec précision.

Le résultat final est une carte avec des caractéristiques de terrain en 3D. Les arbres apparaissent sous forme de blocs de nuances colorées allant du bleu au vert, selon la hauteur. Les zones inexplorées sont sombres mais deviennent grises lorsqu'elles sont cartographiées par un drone. Le logiciel de planification de trajectoire embarqué indique à un drone de toujours explorer ces zones sombres inexplorées lorsqu'il vole. Produire une carte 3D est plus fiable que de simplement attacher une caméra à un drone et surveiller le flux vidéo, dit Tian. Transmission de vidéo à une station centrale, par exemple, nécessite beaucoup de bande passante qui peut ne pas être disponible dans les zones boisées.

Recherche plus efficace

Une innovation clé est une nouvelle stratégie de recherche qui permet aux drones d'explorer plus efficacement une zone. Selon une approche plus traditionnelle, un drone rechercherait toujours la zone inconnue la plus proche possible. Cependant, qui pourrait être dans n'importe quel nombre de directions à partir de la position actuelle du drone. Le drone vole généralement sur une courte distance, puis s'arrête pour sélectionner une nouvelle direction.

"Cela ne respecte pas la dynamique du drone [mouvement], " dit Tian. " Il doit s'arrêter et tourner, donc cela signifie qu'il est très inefficace en termes de temps et d'énergie, et vous ne pouvez pas vraiment prendre de la vitesse."

Au lieu, les drones des chercheurs explorent la zone la plus proche possible tout en tenant compte de leur vitesse et de leur direction et en maintenant une vitesse constante. Cette stratégie, où le drone a tendance à se déplacer en spirale, couvre une zone de recherche beaucoup plus rapidement. « Dans les missions de recherche et de sauvetage, le temps est très important, " dit Tian.

Dans le journal, les chercheurs ont comparé leur nouvelle stratégie de recherche avec une méthode traditionnelle. Par rapport à cette ligne de base, la stratégie des chercheurs a aidé les drones à couvrir beaucoup plus de surface, plusieurs minutes plus vite et avec des vitesses moyennes plus élevées.

Une limitation pour une utilisation pratique est que les drones doivent toujours communiquer avec une station au sol externe pour la fusion de cartes. Dans leur expérience en plein air, les chercheurs ont dû mettre en place un routeur sans fil qui connectait chaque drone et la station au sol. À l'avenir, ils espèrent concevoir les drones pour communiquer sans fil lorsqu'ils s'approchent les uns des autres, fusionner leurs cartes, puis couper la communication quand ils se séparent. La station au sol, dans ce cas, ne serait utilisé que pour surveiller la carte mondiale mise à jour.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.