07 januari 2016 door Webredactie Communication

Er is een nieuwe theorie gepubliceerd die drones in staat stelt om afstanden te zien met een camera. Guido de Croon van het Micro Air Vehicle Laboratory van de TU Delft heeft ontdekt dat drones die een object naderen met een bepaalde, op insecten geinspireerde kijk- en beweegstrategie, op zekere afstand van het object instabiel worden. Maar dit nadeel heeft een voordeel: wanneer drones die instabiliteit op tijd detecteren, kunnen ze de afstand schatten. Met behulp van de nieuwe theorie, die op 7 januari online in het tijdschrift Bioinspiration & Biomimetics wordt gepubliceerd, kunnen autonome drones nog kleiner worden gemaakt. De theorie biedt ook een nieuwe hypothese over het vlieggedrag van insecten.

Bij pogingen om steeds kleinere drones zelf te laten navigeren, kijken onderzoekers voor inspiratie steeds vaker naar vliegende insecten. Zo schatten de huidige consumentendrones voor gebruik binnenshuis hun snelheid in met een op insecten geinspireerde strategie. De strategie houdt in dat een camera naar beneden kijkt en de `optische stroom' bepaalt: de snelheid waarmee objecten door het blikveld van de camera bewegen.

De optische stroom geeft alleen informatie over de verhouding tussen afstand en snelheid. Daarom hebben binnenshuis vliegende drones doorgaans ook een sonar die de afstand van de drone tot de grond bepaalt, waarna de snelheid kan worden berekend uit de optische stroom. Met de nieuwe theorie is de sonar niet meer nodig, zodat het mogelijk wordt om nog kleinere binnenshuis vliegende drones te maken.

Beeld: Parrot AR drone maakt een landing met een constante optische stroming

Zachte landing

Vliegende insecten zoals bijen hebben twee facetogen, maar deze staan zo dicht bij elkaar dat ze niet door middel van stereovisie afstanden kunnen schatten voor navigatiedoeleinden. Bijen zijn daarom sterk afhankelijk van de `afstandsloze' optische stroom en hebben geen sensoren om de werkelijke afstand tot objecten in hun omgeving te schatten.

Maar hoe navigeren insecten dan? Uit eerder onderzoek is gebleken dat eenvoudige besturingswetten voor de optische stroom in theorie voor veilige navigatie zorgen. Zo zou een drone een zachte landing moeten maken wanneer hij de optische stroom constant houdt tijdens het dalen. Het bleek echter bijzonder moeilijk om deze strategie bij echte drones te implementeren.

"Dit onderzoek is voortgekomen uit frustratie, omdat het onmogelijk bleek om een snelle, soepele landing uit te voeren via de optische stroom. Tegen het eind van de landing gingen de drones steeds op en neer oscilleren", vertelt De Croon. "Eerst dacht ik dat de beeldbewerkingssoftware niet goed genoeg werkte dicht bij de grond, maar later ontdekte ik dat het effect ook bij perfecte beeldmetingen aanwezig was."

Instabiliteit gebruiken

Een theoretische analyse van dronebesturingswetten heeft inderdaad uitgewezen dat een robot die de optische stroom constant probeert te houden op een bepaalde afstand van het landingsoppervlak begint te oscilleren. De oscillaties worden door de robot zelf opgewekt, omdat bewegingen dicht bij de grond een veel groter en sneller effect hebben op de optische stroom dan bewegingen op grotere afstand. De kern van het artikel is dat de drone door deze oscillaties op tijd te detecteren kan vaststellen hoe ver hij van het oppervlak verwijderd is.

Beeld: Twee landingsvluchten van een Parrot AR drone vanaf 4 meter. De lichtblauwe drone reageert sterker op variaties in optische stroom dan de roze drone, en begint daarom eerder te oscilleren.

"Wat ik nu zo leuk vind, is dat de robot om afstanden te zien juist gebruik maakt van de instabiliteit van zijn eigen besturingssysteem, opdat hij zo bijvoorbeeld kan bepalen wanneer hij de propellers moet uitschakelen. De afgelopen maanden hebben mensen me wel eens vreemd aangekeken wanneer ik in het lab stond te juichen als een vliegende robot op het punt leek te staan om de controle te verliezen", vertelt de Croon.

Wanneer we de biologische literatuur bestuderen, zien we dat vliegende insecten soms inderdaad op bepaalde afstanden bepaald gedrag gaan vertonen. Bijen blijven bijvoorbeeld altijd even stil in de lucht hangen op zekere afstand boven een landingsoppervlak. De nieuwe theorie biedt een hypothese over hoe insecten de afstanden waarnemen die dergelijk gedrag in gang zetten.

Meer informatie

Artikel `Monocular distance estimation with optical flow maneuvers and efference copies: a stability-based strategy' in Bioinspiration & Biomimetics, artikel online gepubliceerd op 7 januari 2016 (open access). Video waarin de theorie wordt toegelicht en waarin experimenten worden getoond.

Achtergrondinformatie en foto's

Website van het Micro Air Vehicle Laboratory van de TU Delft. Website Guido de Croon Artificial Intelligence for Small Autonomous Robots.