211service.com
Fundamentele wet van wendbaarheid bij vliegen op hoge snelheid ontdekt
Het buitengewone vermogen van vogels en vleermuizen om met snelheid door rommelige omgevingen zoals bossen te vliegen, heeft mensen lang gefascineerd. Het roept een voor de hand liggende vraag op: hoe doen deze wezens het?
Het is duidelijk dat ze obstakels moeten herkennen en de nodige fijne controle over hun bewegingen moeten uitoefenen om botsingen te voorkomen terwijl ze hun doel nastreven. En dat moeten ze met een buitengewone snelheid doen.
Vanuit een conventioneel commando- en controlestandpunt is dit een zware taak. Objectherkenning en afstandsbeoordeling zijn beide moeilijke problemen en routeplanning nog moeilijker.
Zelfs met de enorme computerbronnen waartoe mensen toegang hebben, is het helemaal niet duidelijk hoe dit probleem moet worden aangepakt. Dus hoe vliegende dieren het beheren met onbeweeglijke ogen, vaste focus optica en veel beperktere gegevensverwerking, is een beetje een puzzel.
Vandaag onthullen Ken Sebesta en John Baillieul van de Boston University hoe ze het hebben gekraakt. Deze jongens zeggen dat vliegende dieren een relatief eenvoudig algoritme gebruiken om door rommel te sturen en dat dit hen in staat heeft gesteld een fundamentele wet af te leiden die de grenzen van behendig vliegen bepaalt.
Hun aanpak is gebaseerd op een idee dat optische stroomdetectie wordt genoemd en dat de laatste jaren steeds meer aandacht krijgt. Het idee hier is om het gezichtsveld te zien, niet als een reeks afzonderlijke objecten op verschillende afstanden, maar eenvoudig als een reeks punten die door het gezichtsveld bewegen.
De bewegingssnelheid over het gezichtsveld hangt af van factoren zoals de grootte en afstand van het object en de vluchtsnelheid.
De optica van het gezichtsvermogen vereenvoudigt echter aanzienlijk bepaalde berekeningen over dit systeem. In het bijzonder maakt het een zeer eenvoudige bepaling van een dreigende botsing mogelijk.
Het blijkt dat, gegeven een oogbol die met een constante snelheid naar een object vliegt, de snelheid waarmee de beeldgrootte van het object op het netvlies van de oogbol verandert, de tijd tot impact bepaalt. Dat is een simpele berekening waarvoor geen kennis nodig is van de grootte, afstand of zelfs de sluitsnelheid van het object.
Het wordt dan relatief eenvoudig om te bepalen wanneer een aanvaring dreigt en om de koers dienovereenkomstig aan te passen. Dat is iets dat op een zeer efficiënte manier kan worden gedaan met directe feedback van het optische systeem.
Het werk dat Sebesta en Baillieul hebben gedaan, is om deze berekening voor elk punt in het gezichtsveld te generaliseren en niet alleen te berekenen wanneer een botsing dreigt, maar ook wanneer de oogbol het object passeert.
Vervolgens passen ze deze methode toe op het gezichtsveld als geheel om te bepalen wanneer botsingen waarschijnlijk zijn en om een controlesysteem te creëren waarmee koersaanpassingen kunnen worden gemaakt.
Hun conclusie is dat optische stroombenadering leidt tot een fundamentele limiet op de behendigheid van vluchten met hoge snelheid. De factoren die dit bepalen zijn de grootte en dichtheid van de obstakels in het rommelveld en een hoeveelheid die Sebesta en Baillieul de stuurautoriteit noemen, in wezen de draaicirkel van de vlieger.
Het blijkt dat er sprake is van een kritisch niveau van wendbaarheid. Het blijkt dat er kritische niveaus van stuurbevoegdheid zijn, enigszins waaronder het bijna onmogelijk is om een obstakelveld te passeren en iets waarboven het vrijwel zeker is dat er een realiseerbaar botsingsvrij pad zal zijn, zeggen ze.
Dat is een fascinerend resultaat. Het legt een fundamentele limiet op het vermogen van een vlieger om snel door een omgeving te navigeren. Het maakt ook de ontwikkeling mogelijk van een relatief eenvoudig algoritme om deze limiet te bereiken, of iets dat er in de buurt komt, met behulp van beeldgegevensfeedback.
Sebesta en Baillieul exploiteren dit inderdaad al in een op maat gemaakte UAV op basis van het populaire quadcopter-casco, uitgerust met bewegingssensoren, een ingebouwde camera en een Gumstix Fire Single Board Computer. Ons laboratorium voert momenteel vrije-vluchttests binnenshuis uit, samen met geselecteerde tethered outdoor-vluchttests, zeggen ze.
Dat opent de mogelijkheid voor autonome micro-luchtvoertuigen die door rommelige omgevingen vliegen en duiken, zoals sperwers door een bos. En dat doen in de niet al te verre toekomst.
Referentie: arxiv.org/abs/1203.2816 : Op dieren geïnspireerde behendige vlucht met behulp van optische stroomdetectie