Sværm af bittesmå droner udforsker ukendte miljøer

Forskere har præsenteret en sværm af bittesmå droner, der kan udforske ukendte miljøer helt af sig selv. Dette arbejde, præsenteret i Videnskab robotik den 23. oktober, er et væsentligt skridt inden for sværmrobotik. Udfordringen kommer fra det faktum, at de små 33-grams droner skal navigere autonomt, mens de har ekstremt begrænsede sansnings- og beregningsevner. Det fælles forskerhold - med forskere fra TU Delft, University of Liverpool og Radboud University of Nijmegen – tacklede denne udfordring ved at hente inspiration fra den relative enkelhed af insektnavigation.

Inspiration fra naturen

Insektsværme har inspireret robotister til at tro, at små robotter måske også kan overvinde deres individuelle begrænsninger ved at operere i en sværm. Sværme af små og billige robotter ville være i stand til at udføre opgaver, der i øjeblikket er uden for rækkevidde af store, individuelle robotter. For eksempel, en sværm af små flyvende droner ville være i stand til at udforske et katastrofested meget hurtigere end en enkelt større drone. Sådanne sværme er endnu ikke blevet realiseret.

Søg og Red

I løbet af de sidste fire år, et fælles forskerhold fra TU Delfts universiteter, University of Liverpool, og Radboud University of Nijmegen, finansieret af den hollandske nationale videnskabsfond NWO Natural Artificial Intelligence-program, har stræbt efter at designe en sværm af bittesmå droner, der er i stand til at udforske ukendte miljøer. Målet med forskningsprojektet var at tage skridt til at bruge sværme af droner i eftersøgnings- og redningsscenarier.

Hovedtanken var, at i fremtiden redningsarbejdere vil være i stand til at frigive en sværm af bittesmå droner for at udforske et katastrofested, såsom en bygning, der er ved at kollapse. Sværmen af ​​droner vil komme ind i bygningen, udforske det, og kom tilbage til basestationen med relevante oplysninger. Redningsarbejderne kan derefter fokusere deres indsats på de mest relevante områder – f.eks. hvor der stadig er mennesker indenfor.

At finde ofre

I projektet blev små droner udstyret med kameraer og sendt ud i et indendørs kontormiljø for at finde to dukker, der repræsenterer ofre i et katastrofescenarie. Denne proof-of-concept søge- og redningsopgave viste tydeligt fordelen ved at have en sværm. Inden for seks minutter, en sværm på seks droner var i stand til at udforske omkring 80 procent af de åbne rum, hvilket ville være umuligt for en af ​​dronerne alene. Desuden, sværmning viste sig også at være nyttig til redundans. En drone fandt et offer, men på grund af en hardwarefejl i kameraet, det kunne ikke bringe nogen billeder tilbage. Heldigvis, en anden drone fangede offeret på kamera, såvel.

Udfordring

"Den største udfordring i at opnå sværmudforskning ligger på niveauet for dronernes individuelle intelligens, " siger Kimberly McGuire, ph.d. elev, der har udført projektet. "I begyndelsen af ​​projektet, vi fokuserede på at opnå grundlæggende flyveevner såsom at kontrollere hastigheden og undgå forhindringer. Efter det, vi har designet en metode til, at de små droner kan opdage og undgå hinanden. Vi løste dette ved at lade hver drone bære en trådløs kommunikationschip og derefter gøre brug af signalstyrken mellem disse chips - det er ligesom antallet af bjælker vist på din telefon, der falder, når du bevæger dig væk fra din WiFi-router i dit hjem. De vigtigste fordele ved denne metode er, at den ikke kræver ekstra hardware på dronen, og at den kræver meget få beregninger."

Autonom navigation

Den mest skræmmende udfordring i vejen for sværmudforskning, er vanskeligheden ved at få små robotter til selv at navigere i et ukendt miljø. Grunden til dette er, at bittesmå robotter er meget begrænsede med hensyn til sansning og beregning.

Igen, naturen gav vigtig inspiration. Insekter laver ikke meget detaljerede kort. I stedet, de bevarer vartegn og adfærdsmæssigt relevante steder som fødekilder og deres rede. "Hovedidéen bag den nye navigationsmetode er at reducere vores navigationsforventninger til det yderste:vi kræver kun, at robotterne skal kunne navigere tilbage til basestationen, " siger Guido de Croon, hovedefterforsker af projektet. "Sværmen af ​​robotter spreder sig først ud i miljøet ved at lade hver robot følge en anden foretrukken retning. Efter at have udforsket, robotterne vender tilbage til et trådløst beacon placeret ved basestationen."

Bug algoritme

"Den foreslåede navigationsmetode er en ny type fejlalgoritme, " tilføjer Kimberly McGuire. "Bug-algoritmer laver ikke kort over miljøet, men håndterer forhindringer i farten. I princippet, detaljerede kort er meget praktiske, fordi de tillader en robot at navigere fra ethvert punkt på kortet til ethvert andet punkt, ad en optimal vej. Imidlertid, omkostningerne ved at lave sådan et kort på små robotter er uoverkommelige. Den foreslåede fejlalgoritme fører til mindre effektive veje, men har den fordel, at den endda kan implementeres på små robotter."