Fundamental lag för höghastighetsflygande manövrerbarhet upptäckt

Den extraordinära förmågan hos fåglar och fladdermöss att flyga i fart genom röriga miljöer som skogar har länge fascinerat människor. Det väcker en uppenbar fråga: hur gör dessa varelser det?

Det är klart att de måste känna igen hinder och utöva den nödvändiga fina kontrollen över sina rörelser för att undvika kollisioner samtidigt som de strävar efter sitt mål. Och de måste göra detta i enastående hastighet.

Ur en konventionell lednings- och kontrollsynpunkt är detta en svår uppgift. Objektigenkänning och avståndsbedömning är både svåra problem och ruttplanering ännu tuffare.

Även med de enorma datorresurser som människor har tillgång till är det inte alls självklart hur man ska tackla detta problem. Så hur flygande djur klarar det med orörliga ögon, fast fokusoptik och mycket mer begränsad databehandling är något av ett pussel.

Idag avslöjar Ken Sebesta och John Baillieul vid Boston University hur de har knäckt det. Dessa killar säger att flygande djur använder en relativt enkel algoritm för att styra genom röran och att detta har gjort det möjligt för dem att härleda en grundläggande lag som bestämmer gränserna för smidig flygning.

Deras tillvägagångssätt bygger på en idé som kallas optisk flödesavkänning som har blivit föremål för ökad uppmärksamhet de senaste åren. Tanken här är att tänka på synfältet, inte som en uppsättning diskreta objekt på olika avstånd, utan helt enkelt som en samling punkter som rör sig över synfältet.

Rörelsehastigheten över synfältet beror på faktorer som storleken och avståndet på föremålet samt flyghastigheten.

Synoptiken förenklar dock avsevärt vissa beräkningar om detta system. I synnerhet tillåter det en mycket enkel bestämning av en förestående kollision.

Det visar sig att, givet en ögonglob som flyger med en konstant hastighet mot ett objekt, bestämmer förändringshastigheten för objektets bildstorlek på ögonglobens näthinna tidpunkten för att träffas. Det är en enkel beräkning som inte kräver någon kunskap om objektets storlek, avstånd eller ens om stängningshastigheten.

Det blir då relativt enkelt att avgöra när en kollision är nära förestående och att anpassa kursen därefter. Det är något som kan göras med direkt feedback från det optiska systemet på ett mycket effektivt sätt.

Det arbete som Sebesta och Baillieul har gjort är att generalisera denna beräkning för vilken punkt som helst i synfältet och att beräkna inte bara när en kollision är nära förestående utan när ögongloben passerar föremålet.

De tillämpar sedan denna metod på synfältet som helhet för att avgöra när kollisioner är sannolika och för att skapa ett kontrollsystem som tillåter kursjusteringar att göras.

Deras slutsats är att tillvägagångssättet för optiskt flöde leder till en grundläggande begränsning av smidigheten i höghastighetsflyg. Faktorerna som avgör detta är storleken och tätheten av hindren i skräpfältet och en mängd som Sebesta och Baillieul kallar styrmyndigheten, i huvudsak flygarens svängradie.

Det visar sig att det finns en kritisk nivå av manövrerbarhet. det visar sig att det finns kritiska nivåer av styrande behörighet, något under vilka det är nästan omöjligt att passera ett hinderfält och något över vilka det är nästan säkert att det kommer att finnas en realiserbar kollisionsfri väg, säger de.

Det är ett fascinerande resultat. Det sätter en grundläggande gräns för alla flygares förmåga att navigera i en miljö med hastighet. At it tillåter också utvecklingen av en relativt enkel algoritm för att uppnå denna gräns, eller något nära den, med hjälp av bilddataåterkoppling.

Faktum är att Sebesta och Baillieul redan utnyttjar detta i en specialbyggd UAV baserad på den populära quadcopter-flygplanet, utrustad med rörelsesensorer, en inbyggd kamera och en Gumstix Fire Single Board Computer. Vårt labb genomför för närvarande friflygtester inomhus tillsammans med utvalda tjudrade utomhusflygtester, säger de.

Det öppnar för möjligheten för autonoma mikroluftfordon som sveper och dyker genom röriga miljöer som sparvhökar genom en skog. Och gör det inom en inte alltför avlägsen framtid.

Ref: arxiv.org/abs/1203.2816 : Djurinspirerat agilt flyg med optisk flödesavkänning

Dölj