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Dei mini droni capaci di muoversi al buio sfiorando pareti e ostacoli con una coppia di baffi artificiali, proprio come fanno topi e ratti. È l’idea sviluppata da un gruppo di ricercatori della TU Delft, l’Università Tecnica di Delft nei Paesi Bassi, per risolvere un problema molto concreto. I droni ultracompatti, quelli che pesano meno di 100 grammi, dovrebbero avere un ruolo importante nei soccorsi durante le catastrofi, nelle ispezioni di impianti e negli studi ambientali. Le dimensioni ridotte però impongono limiti severi ai sensori che possono trasportare, alla capacità di calcolo e all’autonomia energetica. Negli edifici pieni di fumo, nelle grotte buie o davanti a superfici trasparenti e riflettenti, telecamere e LiDAR smettono semplicemente di funzionare.
Da qui l’ispirazione presa dai peli sensoriali dei roditori, come ratti e talpe, per costruire un sensore tattile leggero e a bassa latenza da montare a bordo. “Il nostro obiettivo è dotare i droni di una ricca capacità tattile. Non si tratta di manipolare oggetti in aria ma di un nuovo concetto chiamato navigazione tattile, che permette di volare esplorando un ambiente sconosciuto entrando in contatto con gli oggetti”, spiega Salua Hamaza, professoressa associata della TU Delft. “Perché il rilevamento tattile funzioni su un drone deve essere leggero, avere una bassa latenza e consumare poca energia. Abbiamo trovato la risposta nei baffi del mondo naturale”.
Droni con baffi artificiali: come funzionano i baffi che esplorano al tatto
Il team ha installato due sensori sulla parte anteriore di un drone grande quanto il palmo di una mano. I baffi sono realizzati in nitinol, una lega di nichel e titanio, con un diametro di 0,4 mm e una lunghezza di 200 mm. Alla base si trovano tre piccoli sensori di pressione atmosferica e il principio è semplice: quando il baffo si flette la pressione cambia, e da quella variazione si ricavano profondità e posizione del contatto. Rilevamento, decisioni e controllo del volo autonomo vengono gestiti da un microcontrollore integrato, senza alcun computer esterno.
Un dettaglio decisivo riguarda l’angolo di fissaggio. Scorrendo lungo una parete, la forza generata dai baffi può far ruotare il velivolo e destabilizzarlo. Dopo 72 voli con sei angolazioni diverse a tre velocità, i ricercatori hanno visto che a 30, 45 e 60 gradi il drone non si schiantava. La scelta è caduta sui 45 gradi, che garantivano la deviazione minore dell’orientamento, anche perché a 60 gradi la portata di rilevamento frontale risultava ridotta.
La sfida più grossa è stata distinguere i contatti veri dai disturbi prodotti dal drone stesso, visto che il flusso d’aria delle eliche genera rumore e deriva, cioè una lenta variazione dei valori del sensore nel tempo. L’algoritmo di correzione sviluppato stima di continuo questa tendenza partendo dai valori registrati quando nulla tocca il sensore, e filtra le vibrazioni del volo. I falsi positivi sono così scesi dal 38,24%, ottenuto con il solo filtraggio, allo 0%. Per stimare la distanza dalla parete, poi, la previsione basata sul movimento del drone viene combinata con quella di una rete neurale attraverso un filtro di Kalman. L’errore medio assoluto di uno dei baffi è passato da 6,40 a 4,23 mm su lavagna bianca e da 11,33 a 5,91 mm sul vetro, superficie su cui i sensori laser danno risultati instabili.
Pareti invisibili e i limiti ancora da superare
Nei test con tre pareti trasparenti affiancate, una volta toccata la superficie il drone la seguiva mantenendo una distanza tra 60 e 100 mm, raggiungendo l’obiettivo in tutti e cinque i tentativi, anche con le pareti inclinate. Il sensore laser montato per confronto non riusciva invece a misurare nulla se il velivolo non puntava dritto contro la parete. Limitarsi a costeggiare i muri però rischia di far perdere il drone negli angoli. Per questo il gruppo ha messo a punto una ricerca che privilegia le zone inesplorate, stimando in modo probabilistico la forma delle pareti. Risultato: un’uscita larga 80 cm trovata in una stanza quadrata di 2 metri con pareti in vetro in 9 casi su 10, sia in simulazione sia nelle prove reali.
Il microcontrollore ha 192 KB di memoria e l’algoritmo ne occupa appena 34. “Volevamo dimostrare che non serve sacrificare dimensioni o potenza di calcolo per usare il feedback tattile”, osserva Chaoshan Ye, dottorando della TU Delft. “Anche un drone piccolo può percepire l’ambiente e reagire in tempo reale”. Restano alcuni nodi. Seguendo una parete a lungo le deviazioni si accumulano e la precisione cala, mentre le differenze tra i singoli sensori barometrici e piccole variazioni meccaniche rendono difficile trasferire un modello addestrato su un altro sensore. Oggi serve un sistema di misura esterno e ogni sensore va ricalibrato facendogli percorrere la parete 5 o 6 volte, operazione che richiede tra 15 e 20 minuti. Le applicazioni previste vanno dagli aiuti umanitari in caso di disastro all’esplorazione di ambienti pericolosi, fino al volo autonomo in spazi angusti e all’ispezione di strutture complesse.
Fonte: TecnoAndroid