Sinds de mens het vliegen heeft ontdekt, zijn er piloten die met hun vliegtuigen de grenzen van de fysica verleggen en laten zien wat er mogelijk is in acrobatische manoeuvres. Hetzelfde geldt voor alle soorten op afstand bestuurde modelvliegtuigen. En ondertussen ook voor drones. Maar al deze ondernemingen hebben één ding gemeen: een mens moet het vliegtuig besturen. Of het nu rechtstreeks vanuit de cockpit is of via de afstandsbediening. Wetenschappers van de Universiteit van Zürich gaan nu een stap verder en laten drones zelfstandig acrobatische manoeuvres uitvoeren dankzij een navigatiealgoritme. Ze gebruiken simulaties om de autonome vliegtuigen te trainen, zodat ze sneller, wendbaarder en efficiënter worden. Bij reddingsoperaties of zelfs voor bezorgdiensten kan dat handig zijn.
Samen met de microprocessorfabrikant Intel heeft het onderzoeksteam een quadrocopter gebouwd die autonome acrobatische figuren kan leren vliegen. Hoewel een “power loop” of een “matty flip” waarschijnlijk niet nodig is in een conventionele dronemissie, zou een drone die in staat is om deze acrobatische manoeuvres uit te voeren veel efficiënter kunnen zijn, benadrukken de wetenschappers. Ze kunnen tot hun fysieke grenzen gaan, hun wendbaarheid en snelheid ten volle benutten en binnen de reikwijdte van hun batterij langere afstanden afleggen.
Met behulp van het nieuw ontwikkelde navigatiealgoritme kan een drone die alleen is uitgerust met sensoren en berekeningen aan boord, zelfstandig diverse vliegmanoeuvres uitvoeren. Om te bewijzen dat dit algoritme werkt, vlogen de drones met verschillende elementen zoals “Power Loop”, “Barrel Roll” en “Matty Flip”. Tijdens al deze manoeuvres moet het vliegtuig bestand zijn tegen zeer hoge stuwkracht en extreme hoekversnellingen. “Met deze navigatie hebben we een nieuw stadium bereikt in de integratie van autonome drones in ons dagelijks leven”, zegt Davide Scaramuzza, professor en directeur van de Groep voor Robotica en Perceptie aan de Universiteit van Zürich.
Mensen hebben een voordeel
De kern van het nieuwe algoritme is een kunstmatig neuraal netwerk “dat de door de ingebouwde camera en traagheidssensoren geleverde ingangen direct omzet in besturingscommando’s”. Dit neurale netwerk wordt getraind door het simuleren van acrobatische manoeuvres. Volgens de onderzoekers heeft dit verschillende voordelen. De manoeuvres kunnen eenvoudig worden gesimuleerd met behulp van referentietrajecten en er zijn geen dure fysieke testritten nodig. Bovendien kan de training gemakkelijk worden geschaald en is er geen risico voor de quadrocopter zelf.
“Ons algoritme leert acrobatische manoeuvres te vliegen met een nauwkeurigheid die vergelijkbaar is met die van professionele menselijke piloten,” zegt Scaramuzza. Daarom zijn slechts een paar uur simulatietraining voldoende om de quadrocopter gebruiksklaar te maken. Verdere verfijning met echte data is niet nodig, omdat het algoritme de geleerde input van de simulaties overbrengt naar de fysieke wereld.
Toch geven de onderzoekers toe dat de mens nog steeds een voordeel heeft ten opzichte van drones. “Ze kunnen onverwachte situaties en veranderingen in de omgeving snel interpreteren en zich sneller aanpassen”, benadrukt Scaramuzza. Maar hij is er zeker van dat drones “er baat bij hebben om snel en efficiënt grote afstanden te kunnen afleggen tijdens zoek- en reddingsoperaties of voor bezorgdiensten.”
Hoofdfoto: Een quadrocopter doet een Matty Flip (Foto: Elia Kaufmann)