Les défis uniques de la robotique aérienne

Lorsque nous pensons à la robotique, la première chose qui vient généralement à l’esprit pour beaucoup d’entre nous est une sorte de bras industriel qui est boulonné au sol, ou peut-être un rover semi-autonome qui se fraye un chemin à travers le paysage martien poussiéreux. Bien que ces deux environnements soient à peu près aussi différents que possible, les « règles » de base sont à peu près les mêmes. Le fait d’être sur un sol ferme donne au robot une compréhension claire de sa position et de son orientation, ce qui simplifie grandement les tâches telles que l’évitement des collisions ou l’interaction avec les objets à proximité.

Mais que se passe-t-il lorsque ce point de référence disparaît ? Comment un robot navigue-t-il lorsqu’il vole dans un espace ouvert ou en vol stationnaire ? Ce n’est qu’un des problèmes qui fascine Nick Rehm, qui s’est arrêté pour animer l’émission de cette semaine Chat robotique aérienne parler de sa passion pour les robots volants. Il est actuellement ingénieur en aérospatiale au Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, où il travaille sur les défis uniques auxquels sont confrontés les véhicules volants autonomes, tels que la détection et l’évitement des collisions en vol, ainsi que le développement du décollage et de l’atterrissage verticaux (VTOL ) systèmes. Mais avant d’avoir sa maîtrise en génie aérospatial et giravion, il a commencé comme beaucoup d’entre nous, en jouant avec des projets de bricolage.

En fait, les lecteurs réguliers de Hackaday se souviendront probablement d’avoir vu certaines de ses constructions impressionnantes. Son ekranoplan autonome conçu pour suivre une cible à l’aide de la vision par ordinateur a fait la une des journaux en avril. En 2020, nous avons jeté un coup d’œil à sa recréation du prototype Starship de SpaceX, qui utilisait un agencement réaliste des surfaces de contrôle et une poussée vectorielle pour effectuer la manœuvre « Belly Flop » de l’engin spatial – bien qu’avec des moteurs et des hélices RC au lieu de moteurs de fusée. Mais même avant cela, Nick se souvient avoir demandé à sa mère la permission de démonter une manette Wii afin qu’il puisse utiliser son unité de mesure inertielle (IMU) dans un tricopter à ossature de bois sur lequel il travaillait.

La discussion de certaines de ces constructions de passe-temps conduit le chat vers le projet dRehmFlight de Nick, un package de contrôle de vol sous licence GPLv3 qui peut fonctionner sur du matériel relativement peu coûteux, à savoir un microcontrôleur Teensy 4.0 associé à l’IMU GY-521 MPU6050. Le projet est conçu pour permettre aux amateurs d’expérimenter facilement les engins VTOL, en particulier ceux qui font la transition entre les profils de vol verticaux et horizontaux, et a propulsé la majeure partie des engins volants de Nick.

Passant à des questions plus techniques, Nick dit que l’un des aspects les plus difficiles lors de la conception d’un véhicule volant autonome est de bien cerner vos contraintes. Ce qu’il veut dire par là, c’est avoir un objectif clair de ce que l’engin doit faire et, surtout, combien de temps il lui faut pour le faire. Quelle distance l’engin doit-il pouvoir voler? À quelle vitesse? Doit-il flâner à l’emplacement cible, et si oui, pendant combien de temps ? Les réponses à ces questions dicteront en grande partie la forme du véhicule final et sont essentielles pour déterminer s’il vaut la peine de mettre en œuvre la complexité de la transition du VTOL au vol horizontal à voilure fixe.

Mais selon Nick, le plus grand défi de la robotique aérienne est l’estimation de l’état à bord. C’est-à-dire la capacité pour l’engin de connaître sa position et son orientation par rapport au sol. Alors que les ordinateurs hautes performances sont devenus plus légers et que les capteurs se sont améliorés, il dit qu’il n’y a toujours pas de substitut à un système de suivi au sol. Il mentionne que ces démonstrations fantaisistes que vous avez vues avec des drones volant en formation et travaillant en collaboration pour une tâche auront presque certainement un éventail de caméras de capture de mouvement cachées sur le côté. Cela donne un spectacle impressionnant, mais limite considérablement l’application pratique de ces essaims de drones.

Le quadricoptère personnalisé alimenté par Raspberry Pi 4 de Nick lui permet de tester des techniques de vol autonomes.

Alors, à quoi ressemble l’avenir de la robotique aérienne ? Nick dit que les projets open source comme ArduPilot et PX4 sont toujours d’excellents choix pour les amateurs, mais voit des promesses dans les nouvelles plates-formes qui associent le pilote automatique traditionnel à plus de puissance de calcul embarquée, comme Skynode d’Auterion. Des contrôleurs de vol plus puissants peuvent activer des techniques telles que la localisation et la cartographie simultanées (SLAM), qui utilisent des scans 3D de l’environnement pour aider le robot à s’orienter. Il est également très intéressé par les technologies qui permettent un vol autonome dans des environnements sans GPS, ce qui est essentiel pour les engins robotiques qui doivent fonctionner à l’intérieur ou dans des situations où la navigation par satellite n’est pas disponible ou peu fiable. À la lumière de l’incroyable succès de la NASA Ingéniosité hélicoptère, nous imaginons que ces techniques joueront également un rôle inestimable dans la future exploration aéroportée de Mars.

Nous tenons à remercier Nick pour l’accueil de cette semaine Chat robotique aérienne, qui s’est avéré être l’une des heures les plus rapides de mémoire récente. Son expérience à la fois en tant qu’amateur passionné et professionnel dans le domaine a fourni exactement le genre de perspicacité que la communauté Hackaday recherche, et son offre gracieuse de rester en contact avec plusieurs de ceux qui ont assisté au chat pour discuter plus avant de leurs projets montre à quel point passionné il parle de ce sujet. Nous nous attendons à voir de grandes choses de Nick à l’avenir, et nous aimerions qu’il nous rejoigne à l’avenir pour voir ce qu’il a fait.


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