Sommario
Un team di ricerca dell’Università di Hong Kong ha compiuto un passo decisivo nel campo della robotica aerea sviluppando un drone autonomo capace di imitare il volo degli uccelli, superando i limiti attuali dell’intelligenza artificiale applicata alla navigazione aerea. Questo nuovo sistema, chiamato SUPER (Safety-Assured High-Speed Aerial Robot), permette a micro droni di volare a oltre 20 metri al secondo, evitando ostacoli sottili come rami o cavi dell’alta tensione, grazie a un’architettura completamente autonoma basata esclusivamente su sensori e calcolo a bordo.
Il progetto, guidato dal professor Fu Zhang della Facoltà di Ingegneria dell’Università di Hong Kong, rappresenta una svolta nell’autonomia dei veicoli aerei. Il risultato è un drone con riflessi simili a quelli di un uccello, capace di prendere decisioni in tempo reale in ambienti complessi, anche in assenza di GPS o mappe predefinite.
Navigazione ad alta velocità in ambienti non strutturati
La principale innovazione introdotta da SUPER è la possibilità per i micro air vehicle (MAV) di volare a velocità elevate in ambienti sconosciuti e altamente ostili, come foreste fitte, anche durante la notte. Questo è reso possibile dalla combinazione di un sensore 3D LIDAR leggero, capace di rilevare ostacoli fino a 70 metri, e di un sistema di elaborazione in grado di trattare direttamente le point cloud, riducendo drasticamente i tempi di calcolo.
L’apparato integra due percorsi di navigazione: uno orientato alla velocità, che privilegia l’esplorazione di spazi non ancora mappati, e uno orientato alla sicurezza, che resta confinato a zone già identificate come libere da ostacoli. In questo modo, il drone è capace di bilanciare dinamicamente velocità e affidabilità, a seconda della situazione.
L’architettura modulare, con un telaio da 280 mm e un peso di decollo di 1,5 kg, consente manovrabilità estrema in spazi angusti. Il sistema è stato testato con successo sia in ambienti chiusi che all’aperto, dimostrando un’affidabilità elevata anche in condizioni di luce ridotta.
Un salto evolutivo per l’autonomia dei droni
Il professor Fu Zhang descrive questa tecnologia come un vero punto di svolta. L’autonomia ottenuta da SUPER non si limita alla capacità di volo: si tratta di un sistema intelligente, reattivo, capace di comprendere il contesto e adattarsi a esso in modo fluido e in tempo reale. A differenza dei droni tradizionali, che richiedono percorsi pre-mappati o supporto da infrastrutture esterne come GPS o beacon, SUPER si basa unicamente sull’elaborazione interna.
Questa autonomia è particolarmente utile in applicazioni in cui la velocità e la capacità di evitare ostacoli sottili sono fondamentali: operazioni in aree disastrate, perlustrazioni ambientali, ispezioni di linee elettriche, consegne autonome e ricerca di persone scomparse.
Tecnologia testata in scenari reali
La validazione del sistema è avvenuta in contesti pratici, tra cui l’esplorazione autonoma di siti archeologici antichi. In questi ambienti, spesso caratterizzati da geometrie complesse e strutture instabili, il drone ha mostrato capacità di navigazione fluide e sicure, muovendosi tra colonne, archi e cavità senza collidere né richiedere assistenza esterna.
Questo aspetto sottolinea l’importanza della robustezza del software di pianificazione e del sistema di visione. L’uso del LIDAR, integrato in una pipeline computazionale ottimizzata per il tempo reale, permette al drone di creare una rappresentazione tridimensionale precisa dell’ambiente circostante e aggiornare il proprio piano d’azione decine di volte al secondo.
Supporto a missioni critiche e ambienti ostili
Un’applicazione di particolare interesse è il supporto alle missioni di ricerca e salvataggio, dove la velocità operativa e la capacità di penetrare in zone pericolose o difficilmente accessibili sono determinanti. I droni equipaggiati con SUPER possono muoversi all’interno di edifici crollati, foreste fitte o ambienti urbani complessi anche in condizioni di oscurità o visibilità ridotta.
Il sistema può anche essere impiegato per consegnare forniture mediche o alimentari in aree isolate, grazie alla capacità di navigare autonomamente senza bisogno di infrastrutture di supporto. Questo lo rende adatto anche a scenari di emergenza in zone rurali o montane, dove la logistica tradizionale risulta inefficiente.
Una nuova generazione di robot aerei intelligenti
La combinazione di agilità meccanica, percezione tridimensionale avanzata e intelligenza decisionale autonoma posiziona SUPER tra le tecnologie di frontiera nel settore della robotica aerea. L’obiettivo dichiarato del team dell’HKU non è solo emulare il volo degli uccelli in termini di movimento, ma anche in termini di reattività neurale, simulando una risposta immediata agli stimoli ambientali.
Ciò avviene attraverso un framework di pianificazione che opera a due livelli: da un lato, un modulo predittivo ad alta velocità, che genera traiettorie esplorative ottimizzate in tempo reale; dall’altro, un sottosistema conservativo, che mantiene la traiettoria entro confini sicuri, evitando ostacoli noti. La sinergia tra questi due moduli garantisce non solo alte prestazioni dinamiche, ma anche un livello di affidabilità senza precedenti per veicoli aerei autonomi.
Il risultato è una macchina in grado di prendere decisioni istantanee su quale percorso seguire, quale traiettoria evitare, e quando deviare per evitare collisioni. Questo tipo di sistema sarà sempre più richiesto in applicazioni critiche in cui la presenza umana è limitata o impossibile.
Implicazioni nel contesto urbano e industriale
Oltre all’utilizzo in scenari di emergenza, SUPER può rappresentare un punto di svolta anche per il contesto urbano. La consegna autonoma dell’ultimo miglio, l’ispezione di infrastrutture complesse (ponti, edifici alti, impianti energetici) o il monitoraggio ambientale in tempo reale sono ambiti in cui la capacità di navigazione in ambienti densi e variabili è cruciale.
In particolare, la capacità di rilevare e aggirare ostacoli sottilissimi, come fili elettrici sospesi, è un requisito fondamentale per i droni che operano in ambienti metropolitani. L’integrazione di questa tecnologia in soluzioni già esistenti potrebbe ridurre drasticamente i costi di manutenzione e aumentare la sicurezza operativa.
Inoltre, grazie alla resistenza in condizioni di luce ridotta o assente, i MAV basati su SUPER possono operare 24 ore su 24, anche in scenari notturni o in ambienti coperti, ampliando il campo applicativo a impianti industriali, magazzini automatizzati o infrastrutture critiche in zone non illuminate.
Architettura e prestazioni hardware
Dal punto di vista tecnico, SUPER è un sistema compatto con una base di soli 280 mm e un peso operativo di 1,5 kg. L’elemento centrale è un LIDAR 3D ad alta risoluzione, progettato per rilevare ostacoli fino a 70 metri con precisione millimetrica. Questa unità lavora in sinergia con un processore embedded che gestisce sia la trasformazione dei dati raw in mappe tridimensionali, sia l’elaborazione delle traiettorie in tempo reale.
Il sistema non si affida a server remoti né a processi in cloud, garantendo autonomia totale, tempi di latenza ridotti e sicurezza anche in caso di mancanza di connessione. L’elaborazione delle point cloud viene effettuata direttamente on-board, riducendo il carico computazionale grazie a una pipeline ottimizzata per il parallelismo.
La progettazione meccanica favorisce agilità e stabilità anche in manovre complesse o durante cambi repentini di direzione, rendendo il drone estremamente efficace in ambienti dinamici. Le performance sono tali da eguagliare, se non superare, le capacità degli uccelli in alcuni scenari specifici, in particolare nei cambi di quota improvvisi e nelle manovre tra ostacoli sottili.
Contesto accademico e prospettive future
Lo sviluppo di SUPER è frutto del lavoro del MaRS Lab (Mechatronics and Robotic Systems Lab) dell’Università di Hong Kong, diretto dal professor Fu Zhang. Il team, composto da ricercatori specializzati in sistemi autonomi, navigazione UAV, robotica meccatronica e tecniche SLAM basate su LIDAR, rappresenta una delle punte più avanzate della ricerca robotica asiatica.
Uno dei principali autori, Yunfan Ren, è un dottorando che si occupa in particolare di navigazione autonoma e intelligenza collettiva per droni, e il suo contributo apre anche alla possibilità futura di estendere questa tecnologia al volo cooperativo tra più MAV in sciami autonomi.
Il team prevede per il futuro un’estensione delle capacità del sistema a scenari più ampi, inclusi contesti interni, urbani e industriali, con il potenziale di rivoluzionare settori quali la logistica, il soccorso e la sorveglianza territoriale.
