Informatikprofessoren entwickeln ein Laserlichtsystem, um Roboter unter Wasser zu erkennen

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Die Entwicklung von „Sunflower“ – den Laserlichtsystemen – bietet eine alternative Technologie zu herkömmlichen akustischen Signalsystemen. Es ist das erste Mal, dass eine luftgestützte Drohne verwendet wurde, um Roboter unter Wasser zu verfolgen.

von Adriana James Rodil | Vor 16 Minuten

Quelle: Mit freundlicher Genehmigung von Charles Carver GR ’22

Die Informatikprofessoren Xia Zhou und Alberto Quattrini Li haben zusammen mit Forschern der HealthX und Reality and Robotics Labs ein alternatives System entwickelt, das Roboter unter Wasser erkennt. Das System mit dem Namen Sunflower verwendet eine Drohne, um ein Laserlicht durch die Wasseroberfläche zu strahlen und die Roboter zu verfolgen. Am 28. Juni stellten die Forscher ihre Ergebnisse auf der 20. jährlichen International Conference on Mobile Systems, Applications and Services vor.

Laut Zhou unterscheidet sich Sunflower von anderen Unterwassererkennungssystemen dadurch, dass es Lichttechnologie anstelle eines akustischen Signals verwendet, was die erste luftgestützte Drohne ist, die dies tut.

„Uns sind keine anderen Systeme bekannt, die eine 3D-Lokalisierung des Roboters im Wasser aus der Luft durchführen können – zumindest keine wirkliche Demonstration, die wir zuvor gesehen haben“, sagte Zhou.

Zhou sagte, sie und die anderen Forscher hätten sich für die Verwendung von Licht entschieden, weil sie glaubten, dass es aufgrund der physikalischen Eigenschaften von Licht ein „besseres Medium sowohl für die Kommunikation als auch für die Wahrnehmung“ sei. Sie sagte, dass Licht nicht nur weiter als Schall reisen kann, sondern auch eine höhere „Kommunikationsbandbreite“ als Schall hat. Nachdem sie sich entschieden hatten, eine Drohne zu verwenden, hielten die Forscher Licht für das einzige Medium, um sich effektiv durch das Wasser zu bewegen, was zu seiner Verwendung sowohl für die Kommunikation als auch für die Wahrnehmung führte, sagte sie.

Charles Carver GR ’22, ein Co-Autor des Papiers, das die Ergebnisse der Forscher diskutierte, sagte, dass Sunflower Menschen helfen könnte, unbekannte Regionen des Ozeans zu erkunden und auf die Bekämpfung des Klimawandels hinzuarbeiten.

„Der Klimawandel ist eine ziemlich wichtige Sache, besonders in Bezug auf Unterwasser“, sagte er. „Man kann Riffe und andere Unterwasserökosysteme mit besserer Granularität erkunden [and] zu wissen, wo sie sich im Verhältnis zu anderen Ökosystemen befinden, und es könnte die Auswirkungen des Klimawandels zeigen.“

In einer schriftlichen Erklärung gegenüber The Dartmouth erklärte Carver auch, dass die Sonnenblume mit zwei Hauptteilen arbeitet – der Königin auf der Luftdrohne und einem Arbeiter auf dem Unterwasserroboter. Die Königin hat einen Laserstrahl, der bei der Informationsübertragung hilft.

„Die Königin lenkt ihren Laserstrahl durch die Luft-Wasser-Grenze, trifft den Arbeiter – der den Einfallswinkel des Lasers wahrnimmt – [and] retro reflektiert das Licht zurück zur Königin und kodiert diese Winkelinformationen“, schrieb er.

Carver schrieb, dass die Drohne oder die Königin dann die schwachen Retroreflexionen des Lichts wahrnimmt und sie in ein digitales Signal umwandelt, indem sie die vom Arbeiter oder dem Unterwasserroboter empfangenen Daten entschlüsselt. Er schrieb auch, dass er die optischen Schaltkreise und die Hardware für die Königin entworfen und gebaut habe, abgesehen von dem Algorithmus, der die „Ankunftswinkelerfassung“ der Königin handhabt, der von Qijia Shao, einem anderen Autor der Abhandlung, der einen Master-Abschluss vom College erhielt, erstellt wurde Jahr.

Alle waren an dem Design beteiligt, bei dem es darum ging, „das gesamte System zu kombinieren und den endgültigen Standort zu berechnen [of the robot]“, sagte Schnitzer.

Zhou erklärte, dass die Inspiration für Sunflower von Lis früherer Arbeit als Unterwasserrobotiker kam. Sie fügte hinzu, dass Li sich auf die Programmierung von Robotern unter Wasser für eine Vielzahl von Aufgaben konzentriert habe und die Herausforderungen der Roboter-zu-System-Kommunikation verstehe.

„Eine Herausforderung, aus der ich gelernt habe [Li] ist die Schwierigkeit, mit den Robotern zu kommunizieren und auch zu wissen, wo sie sich befinden“, sagte Zhou. „Die Mainstream-Methode basiert heute hauptsächlich auf Akustik … aber wir haben uns überlegt, etwas anderes zu machen.“

Li sagte, dass er und Zhou vor der Entwicklung von Sunflower an einem Projekt namens Amphilight zusammengearbeitet haben, das die Kommunikation zwischen einer Luftdrohne und einem Laserlichtstrahl ermöglicht, für das Carver auch ein Hauptautor war. Li sagte, sie hätten ihr Projekt Amphi Light erweitert, um Sunflower zu entwickeln, das Laserlicht für Lokalisierungszwecke verwendet.

„Das [previous] Papier zeigte, dass man mit Laserlicht drahtlos kommunizieren kann“, sagte Carver. „Und dieses Papier [‘Sunflower: Locating Underwater Robots From the Air’] war das unmittelbare Follow-up.“