Proč zkouší NASA drony v mlze?

Co skrývá základní pravidlo „V mlze se nelétá“?

Základní pravilo o mlze jistě znáte všichni, kdo nedržíte kniply dálkového ovládání poprvé! Někdo by ale možná nemusel vědět, co je základem, nebo spíše vysvětlením pro toto pravidlo. Nahlížet se na něj dá různě. Zaprvé – drony obecně nemají rádi vlhko, přesněji jejich elektronika, už jen proto, že nejsou utěsněné kupříkladu tak jako akční kamery.

Druhý, podstatnější a hůře řešitelný problém spočívá v tom, že hustá mlha může snadno zmást klasické polohové senzory dronu. Ten pak může hlásit překážky na různých stranách, nebo může odmítat klesnout, jelikož si bude myslet, že je těsně nad zemí. Optické přistávací senzory zkrátka nerozeznají mlhu a pevnou zem.

S dronem do stanu?!

O to zajímavější je jeden z aktuálních výzkumů NASA, kdy byl dron umístěn do speciálního stanu dlouhého zhruba 55 metrů průběžně plněného hustou mlhou. Hustota mlhy se různě měnila a s ní i viditelnost, která místy dosahovala sotva jeden metr. Cílem testu ale nebyla analýza chování samotného dronu, naopak ten zde byl pouze za pokusného králíka – asistoval v pozici překážky, která se může hýbat, její vrtule se rychle otáčí a motory či baterie se při provozu zahřívají.

Modří už možná začínají tušit. Hlavním předmětem testu byly senzory umístěné na opačné straně mlžného stanu (vše se odehrávalo ve výzkumném ústavu NASA v Novém Mexiku), přičemž snahou vědců bylo zjistit, jak se různé druhy čidel za takovýchto podmínek vlastně chovají a jaká data z nich lze za zhoršeného počasí získat.

Aerotaxi za slunce i mlhy

Vše přitom směřuje k tomu, aby se v budoucnu dal zajistit bezpečný provoz futuristických dopravních prostředků, obecně zahrnutý pod výraz Advanced Air Mobility (AAM), neboli „Pokročilá Vzdušná Mobilita“. Pod tímto vzletným pojmem si můžeme nejsnáze představit automatické, nebo časem třeba i autonomní drony přepravující osoby či náklad. Obecně lze hovořit o „leteckém taxi“ či zásobovací službě.

Z technického úhlu pohledu je pro takováto zařízení zrovna mlha příkladem vskutku extrémních podmínek, zatímco pro potenciální pasažéry je to jedna z běžných situací, kdy si naopak rádi svou dopravu objednají.

Nick Cramer, inženýr výzkumu a vývoje NASA (pracuje v Ames Research Center) celou záležitost vysvětluje následovně:

„Každý z dnes používaných senzorů má své silné a také slabé stránky, proto se zrovna za mlhy chová každý výrazně jinak. Zatím ale nevíme, které konkrétní senzory budou využívány prostředky z kategorie AAM, proto zkoušíme celou plejádu snímačů a čidel, abychom zjistili, které se dokáží s mlhou vypořádat lépe a které takovéto podmínky zcela zmatou.“

LiDAR vs IR

Jako jeden z příkladů můžeme jmenovat LiDAR, jeden z klíčových snímačů u většiny automobilů bojujících o označení „autonomní“. LiDAR pracuje s laserovým paprskem, který se odráží od okolního terénu, díky čemuž si řídicí systém vytváří 3D mapu prostředí, v němž se pohybuje. V mlze se ale laserové paprsky odráží od kapek vody rozptýlených ve vzduchu, což toto mapování terénu výrazně komplikuje*.

*K tomuto bodu se ještě vrátíme v odstavci věnovaném zkušenostem našich kamarádů z pražské ČVUT

Druhou stranu mince mohou představovat například IR senzory monitorující teplo, které by mohly v mlze naopak dobře posloužit, jelikož mají potenciál zachytit teplo motorů dronu. Každopádně i zde se zkoumalo, jak dobře a nakolik přesně tato čidla fungují za různých stupňů hustoty mlhy a v různých vzdálenostech od překážky (dronu).

3D LiDAR pro analýzu i navigaci

Když už jsme jednou nakousli LiDARy a jejich využití… Existují vlastně 2 cesty, jak se nyní tato technologie v případě dronů využívá. Jeden z nich představuje například kamera DJI Zenmuse L1, určená pro drony DJI Matrice 300 RTK, pomocí níž lze vytvářet 3D mapy terénu a ty následně analyzovat.

Druhou možnost krásně reprezentuje Australský projekt Emesent, založený v roce 2018, který se specializuje na využití 3D LiDARů pro navigaci, autonomní řízení letu i sběr dat v rámci jednoho procesu. Emesent staví především na řešení rotačního 3D LiDARu určeného rovněž pro drony DJI Matrice 300 RTK. Díky tomuto zařízení dron neustále skenuje své okolí, vytváří si mapu terénu, může se vyhýbat překážkám a sám se i navigovat.

Tato technologie je obzvláště výhodná v místech, kde je jednak mnoho překážek (hustý les), nebo naopak v podmínkách, kde nelze využít běžnou GPS navigaci. Modelovým příkladem mohou být důlní štoly, ve kterých se dron s 3D LiDARem od Emesent může pohybovat bezpečně, automaticky, respektive autonomně a zároveň v tu samou chvíli vytváří 3D model okolního prostředí pro další praktické využití.

Filtrovaný LiDAR z ČVUT

Výše jsme pootevřeli hned 2 zajímavá témata – chování senzorů v mlze a navigaci pomocí 3D LiDARu – nyní je, díky projektům DronPro-kamarádů z ČVUT, spojme do jednoho celku. Daniel Heřt, kterého jsem se vyptával na zkušenosti jeho teamu, mi popisoval nelehký úkol, který na ně čekal v rámci soutěže vypsané americkou vládní agenturou DARPA – SubT Challenge.

Předmětem dané soutěže, kterou team z ČVÚT ve své kategorii vyhrál (v celkovém hodnocení na 2. místě a urval si tak 500K USD prizepool), bylo prozkoumávat pomocí robotů (pozemních i dronů) podzemní prostory a přesně lokalizovat předměty v nich rozmístěné, navíc s jasně daným časovým limitem!

„Organizátoři soutěže nám to samozřejmě chtěli udělat co nejtěžší, proto tunely, kde jsme létali, obohatili o kouř či mlhu,“ říká Dan.

Problém mlhy je přitom dost složitý. 3D LiDAR, popisovaný výše a využívaný i v tomto případě jako primární nástroj navigace mimo dosah signálu GPS, funguje bez problému v čistém prostředí, v mlze se ale výstup rychle ztrácí, případně přichází jen slabý odraz, což komplikuje jak navigaci, tak i lokalizaci cílových objektů.

České řešení a data na talíři

Jen o tomto tématu by se přitom dalo hovořit poměrně dlouho, už jen od Dana jsem dostal řadu studijních materiálů, které byly nanejvýš zajímavé. Pro dnešek si zkusme vystačit s informací, že se team ČVÚT zaměřil na softwarovou filtraci získaného výstupu z 3D LiDARu, při níž se sice řada dat „ztratila v mlze“, i tak jich ale zůstalo dost pro bezpečný průlet jeskyní a úspěšné splnění celé mise.

Velkým obloukem se vraťme k původnímu vláknu popisujícímu testy NASA v jejich „mlžném tunelu“. Zajímavostí je, že výstupem tohoto výzkumu nemá být žádný konkrétní produkt, ale obecné poznání toho, jak se jednotlivá čidla chovají za zhoršených povětrnostních podmínek a zda pomůže kupříkladu kombinace čidel optických, radarů, IR, LiDARů a dalších.

NASA přitom hodlá získané informace veřejně publikovat, aby je mohli v budoucnu použít vývojáři a výrobci prostředků letecké dopravy budoucnosti. Takto se tedy NASA nepřímo snaží, se značným předstihem, zvýšit bezpečnost plánovaného nadzemního transportu, což lze jedině kvitovat. Až budeme jednou zákazníky bezpilotního leteckého taxi, jistě budeme chtít, aby nás daný systém dovezl bezpečně z místa „A“ na místo „B“ bez ohledu na počasí!

👋✈ #LetuZdar

Štěpán

Foto a grafika: DJI, ČVÚT, Emesent