Drone tast als vogel zijn weg naar een veilige landing (video)

In het onderzoek, dat is gepubliceerd in Nature npj Robotics, introduceren de wetenschappers een nieuwe benadering voor het autonoom landen van drones, waarbij zij aanraking gebruiken als informatiebron voor actie. Met behulp van zachte tactiele sensoren die in een mensachtige hand zijn ingebouwd, detecteert de drone contact met een tak, leert hij waar de tak zich bevindt en hoe deze is georiënteerd, past hij zijn positie aan en grijpt hij de tak stevig vast.

Traditioneel zijn drones sterk afhankelijk van visuele waarneming om hun omgeving te begrijpen. Ze hebben een duidelijk zicht of een nauwkeurig model van een tak nodig voordat ze kunnen proberen te landen.
Deze drone begint daarentegen met slechts een ruwe schatting van waar het doel zich zou kunnen bevinden en verfijnt die schatting door middel van aanraking. De drone vliegt een zoekpatroon in de vorm van een acht terwijl hij zijn hand met drie vingers opent en sluit. Terwijl de vingers openen en sluiten, onthult het eerste contact de positie en oriëntatie van de tak. De drone draait en herpositioneert zichzelf totdat de sensoren op alle drie de vingers stabiel contact bevestigen, waarna hij zijn motoren uitschakelt. Als het vastgrijpen mislukt, trekt de drone zich terug naar een veilige zweefpositie en probeert het opnieuw.

Het idee is geïnspireerd op hoe vogels hun tastzin gebruiken om de laatste momenten van een landing te sturen: ze voelen een tak via hun poten en passen hun grip in realtime aan. Universitair hoofddocent dr. Salua Hamaza wil deze functionaliteit toepassen bij vliegende robots. Het resultaat is een lichtgewicht, antropomorfe hand die is ontworpen om te vliegen. De hand heeft drie vingers, elk met drie vingerkootjes (segmenten), geïnspireerd op de verhoudingen van de menselijke hand. Torsieveren zorgen ervoor dat de vingers op natuurlijke wijze sluiten, waardoor de drone zijn grip kan behouden zonder energie te verbruiken zodra hij ergens is neergestreken. Eén pees per vinger zorgt ervoor dat de vingers openen, terwijl zachte siliconen kussentjes voor wrijving zorgen en ervoor zorgen dat de hand zich aanpast aan verschillende oppervlakken en texturen.

Negen aanraaksensoren verspreid over de robothand
Elke vingerkootje is voorzien van een tactiele sensor: een kleine koperen elektrode onder het siliconenoppervlak. Wanneer deze een voorwerp raakt, verandert het elektrische signaal, waardoor een eenvoudig ja-of-nee-contactsignaal ontstaat. Op zichzelf geeft dit signaal slechts beperkte informatie. Maar omdat de drone de vorm en positie van zijn vingers kent, kan hij precies bepalen waar elke aanraking plaatsvindt. Een eenvoudig aanraaksignaal wordt zo een punt in de ruimte en een bewegingsrichting.

De aanpak is robuust omdat hij aanraking gebruikt om fouten in de waarneming te corrigeren. In vluchtexperimenten ontdekten de onderzoekers dat de drone betrouwbaar bleef, zelfs wanneer de positie, oriëntatie en grootte van het doel verkeerd werden ingeschat, terwijl een conventionele, op zicht gebaseerde strategie al snel faalde. Het onderzoek kan mogelijk worden toegepast bij drones die gedurende langere tijd omgevingen kunnen monitoren, zelfs waar zicht alleen onbetrouwbaar is, zoals in boskruinen, rommelige industriële structuren of plaatsen zonder ‘motion-capture-systemen’.
Meer in het algemeen suggereert het onderzoek een verschuiving in het denken over contact in de luchtrobotica: niet als een risico dat moet worden vermeden, maar als een bron van informatie om acties te sturen. Net als in de natuur kunnen toekomstige drones aanraking gebruiken om door de wereld te navigeren en landingsplaatsen te vinden die ze nog niet volledig kunnen zien.