Όταν πολλά μη επανδρωμένα αεροσκάφη εργάζονται μαζί στον ίδιο εναέριο χώρο, ίσως ψεκάζοντας φυτοφάρμακο πάνω από ένα χωράφι με καλαμπόκι, υπάρχει κίνδυνος να συγκρουστούν μεταξύ τους.
Για να βοηθήσουν στην αποφυγή αυτών των δαπανηρών συγκρούσεων, οι ερευνητές του MIT παρουσίασαν το 2020 ένα σύστημα που ονομάζεται MADER. Αυτός ο πολυπαραγοντικός σχεδιαστής τροχιάς επιτρέπει σε ένα σμήνος μη επανδρωμένων αεροσκαφών να διαμορφώνουν βέλτιστες τροχιές χωρίς συγκρούσεις. Κάθε drone μεταδίδει την τροχιά του, ώστε τα υπόλοιπα να γνωρίζουν πού σχεδιάζει να πάει. Στη συνέχεια, τα τεχνουργήματα λαμβάνουν υπόψη τους τις τροχιές των άλλων κατά τη βελτιστοποίηση των δικών τους, ώστε να διασφαλίσουν ότι δεν θα συγκρουστούν.
Όταν όμως η ομάδα δοκίμασε το σύστημα σε πραγματικά μη επανδρωμένα αεροσκάφη, διαπίστωσε ότι αν ένα μη επανδρωμένο αεροσκάφος δεν έχει ενημερωμένες πληροφορίες για τις τροχιές των άλλων, μπορεί να επιλέξει κατά λάθος μια διαδρομή που οδηγεί σε σύγκρουση. Οι ερευνητές αναμόρφωσαν το σύστημά τους και τώρα κυκλοφορούν το Robust MADER, έναν προγραμματιστή τροχιών πολλαπλών drone που παράγει τροχιές χωρίς συγκρούσεις ακόμη και όταν οι επικοινωνίες μεταξύ των πρακτόρων καθυστερούν.
“Το MADER λειτούργησε εξαιρετικά στις προσομοιώσεις, αλλά δεν είχε δοκιμαστεί σε υλικό. Έτσι, κατασκευάσαμε ένα σωρό μη επανδρωμένα αεροσκάφη και αρχίσαμε να τα πετάμε. Τα μη επανδρωμένα αεροσκάφη πρέπει να μιλούν μεταξύ τους για να μοιράζονται τις τροχιές, αλλά μόλις αρχίσεις να πετάς, συνειδητοποιείς πολύ γρήγορα ότι υπάρχουν πάντα καθυστερήσεις στην επικοινωνία που εισάγουν κάποιες αποτυχίες”, λέει ο Kota Kondo, μεταπτυχιακός φοιτητής αεροναυπηγικής και αστροναυτικής.
Ο αλγόριθμος ενσωματώνει ένα βήμα ελέγχου καθυστέρησης κατά το οποίο ένα drone περιμένει ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα πριν δεσμευτεί σε μια νέα, βελτιστοποιημένη τροχιά. Εάν λάβει πρόσθετες πληροφορίες για την τροχιά του από άλλα μη επανδρωμένα αεροσκάφη κατά τη διάρκεια της περιόδου καθυστέρησης, μπορεί να εγκαταλείψει τη νέα του τροχιά και να ξεκινήσει τη διαδικασία βελτιστοποίησης από την αρχή.
Όταν ο Kondo και οι συνεργάτες του δοκίμασαν το Robust MADER, τόσο σε προσομοιώσεις όσο και σε πειράματα πτήσης με πραγματικά drones, πέτυχε ποσοστό επιτυχίας 100 τοις εκατό στη δημιουργία τροχιών χωρίς συγκρούσεις. Ενώ ο χρόνος ταξιδιού των drones ήταν λίγο πιο αργός από ό,τι θα ήταν με κάποιες άλλες προσεγγίσεις, καμία άλλη βασική γραμμή δεν μπορούσε να εγγυηθεί την ασφάλεια.
“Αν θέλετε να πετάξετε με μεγαλύτερη ασφάλεια, πρέπει να είστε προσεκτικοί, οπότε είναι λογικό ότι αν δεν θέλετε να συγκρουστείτε με κάποιο εμπόδιο, θα σας πάρει περισσότερο χρόνο για να φτάσετε στον προορισμό σας. Αν συγκρουστείς με κάτι, δεν έχει σημασία πόσο γρήγορα πηγαίνεις, γιατί δεν θα φτάσεις στον προορισμό σου”, λέει ο Kondo.
Ο Kondo έγραψε την εργασία μαζί με τον Jesus Tordesillas, μεταδιδακτορικό ερευνητή, τον Parker C. Lusk, μεταπτυχιακό φοιτητή, τους Reinaldo Figueroa, Juan Rached και Joseph Merkel, προπτυχιακούς φοιτητές του ΜΙΤ, και τον επικεφαλής συγγραφέα Jonathan P. How, καθηγητή Αεροναυπηγικής και Αστροναυτικής Richard C. Maclaurin, κύριο ερευνητή στο Εργαστήριο Πληροφοριακών Συστημάτων και Συστημάτων Αποφάσεων (LIDS) και μέλος του Εργαστηρίου Τεχνητής Νοημοσύνης MIT-IBM Watson. Η έρευνα θα παρουσιαστεί στο Διεθνές Συνέδριο για τα Ρομπότ και τον Αυτοματισμό.
Σχεδιασμός τροχιών
Το MADER είναι ένας ασύγχρονος, αποκεντρωμένος, πολυπαραγοντικός σχεδιαστής τροχιών. Αυτό σημαίνει ότι κάθε drone διαμορφώνει τη δική του τροχιά και ότι, ενώ όλοι οι πράκτορες πρέπει να συμφωνούν για κάθε νέα τροχιά, δεν χρειάζεται να συμφωνούν ταυτόχρονα. Αυτό καθιστά το MADER πιο επεκτάσιμο από άλλες προσεγγίσεις, καθώς θα ήταν πολύ δύσκολο για χιλιάδες μη επανδρωμένα αεροσκάφη να συμφωνήσουν ταυτόχρονα σε μια τροχιά. Λόγω της αποκεντρωμένης φύσης του, το σύστημα θα λειτουργούσε επίσης καλύτερα σε περιβάλλοντα του πραγματικού κόσμου, όπου τα μη επανδρωμένα αεροσκάφη μπορεί να πετούν μακριά από έναν κεντρικό υπολογιστή.
Με το MADER, κάθε drone βελτιστοποιεί μια νέα τροχιά χρησιμοποιώντας έναν αλγόριθμο που ενσωματώνει τις τροχιές που έχει λάβει από άλλους πράκτορες. Με τη συνεχή βελτιστοποίηση και μετάδοση των νέων τροχιών τους, τα drones αποφεύγουν τις συγκρούσεις.
Ίσως όμως ένα drone να μοιράστηκε τη νέα του τροχιά πριν από αρκετά δευτερόλεπτα, αλλά ένα άλλο να μην την έλαβε αμέσως, επειδή η επικοινωνία καθυστέρησε. Στα περιβάλλοντα του πραγματικού κόσμου, τα σήματα συχνά καθυστερούν λόγω παρεμβολών από άλλες συσκευές ή περιβαλλοντικούς παράγοντες όπως η καταιγίδα. Λόγω αυτής της αναπόφευκτης καθυστέρησης, ένα μη επανδρωμένο αεροσκάφος μπορεί να δεσμευτεί ακούσια σε μια νέα τροχιά που το θέτει σε πορεία σύγκρουσης.
Το Robust MADER αποτρέπει τέτοιες συγκρούσεις επειδή κάθε ντρόουν έχει δύο διαθέσιμες τροχιές. Διατηρεί μία τροχιά που γνωρίζει ότι είναι ασφαλής, την οποία έχει ήδη ελέγξει για πιθανές συγκρούσεις. Ενώ ακολουθεί την αρχική τροχιά, το drone βελτιστοποιεί μια νέα τροχιά, αλλά δεν δεσμεύεται στη νέα τροχιά μέχρι να ολοκληρώσει ένα βήμα ελέγχου καθυστέρησης.
Κατά τη διάρκεια της περιόδου ελέγχου καθυστέρησης, το μη επανδρωμένο αεροσκάφος ξοδεύει ένα σταθερό χρονικό διάστημα ελέγχοντας επανειλημμένα για επικοινωνίες από άλλους πράκτορες για να δει αν η νέα του τροχιά είναι ασφαλής. Εάν εντοπίσει πιθανή σύγκρουση, εγκαταλείπει τη νέα τροχιά και ξεκινά τη διαδικασία βελτιστοποίησης από την αρχή.
Η διάρκεια της περιόδου ελέγχου καθυστέρησης εξαρτάται από την απόσταση μεταξύ των πρακτόρων και τους περιβαλλοντικούς παράγοντες που θα μπορούσαν να παρεμποδίσουν τις επικοινωνίες, λέει ο Kondo. Εάν οι πράκτορες απέχουν πολλά χιλιόμετρα μεταξύ τους, για παράδειγμα, τότε η περίοδος ελέγχου καθυστέρησης θα πρέπει να είναι μεγαλύτερη.
Εντελώς χωρίς συγκρούσεις
Οι ερευνητές δοκίμασαν τη νέα τους προσέγγιση εκτελώντας εκατοντάδες προσομοιώσεις στις οποίες εισήγαγαν τεχνητά καθυστερήσεις επικοινωνίας. Σε κάθε προσομοίωση, το Robust MADER ήταν 100% επιτυχές στη δημιουργία τροχιών χωρίς συγκρούσεις, ενώ όλες οι βασικές γραμμές προκαλούσαν συγκρούσεις.
Οι ερευνητές κατασκεύασαν επίσης έξι μη επανδρωμένα αεροσκάφη και δύο εναέρια εμπόδια και δοκίμασαν το Robust MADER σε περιβάλλον πτήσης πολλαπλών πρακτόρων. Διαπίστωσαν ότι, ενώ η χρήση της αρχικής έκδοσης του MADER σε αυτό το περιβάλλον θα οδηγούσε σε επτά συγκρούσεις, το Robust MADER δεν προκάλεσε ούτε μία συντριβή σε κανένα από τα πειράματα υλικού.
“Μέχρι να πετάξεις πραγματικά το υλικό, δεν ξέρεις τι μπορεί να προκαλέσει πρόβλημα. Επειδή γνωρίζουμε ότι υπάρχει διαφορά μεταξύ προσομοιώσεων και υλικού, κάναμε τον αλγόριθμο εύρωστο, ώστε να λειτουργεί στα πραγματικά drones, και το να το δούμε αυτό στην πράξη ήταν πολύ ικανοποιητικό”, λέει ο Kondo.
Τα drones ήταν σε θέση να πετάξουν 3,4 μέτρα ανά δευτερόλεπτο με το Robust MADER, αν και είχαν ελαφρώς μεγαλύτερο μέσο χρόνο ταξιδιού από ορισμένες βασικές γραμμές. Αλλά καμία άλλη μέθοδος δεν ήταν απόλυτα απαλλαγμένη από συγκρούσεις σε κάθε πείραμα.
Στο μέλλον, ο Kondo και οι συνεργάτες του θέλουν να δοκιμάσουν το Robust MADER σε εξωτερικούς χώρους, όπου πολλά εμπόδια και είδη θορύβου μπορούν να επηρεάσουν τις επικοινωνίες. Θέλουν επίσης να εξοπλίσουν τα μη επανδρωμένα αεροσκάφη με οπτικούς αισθητήρες, ώστε να μπορούν να ανιχνεύουν άλλους πράκτορες ή εμπόδια, να προβλέπουν τις κινήσεις τους και να συμπεριλαμβάνουν αυτές τις πληροφορίες στις βελτιστοποιήσεις τροχιάς.
Η εργασία αυτή υποστηρίχθηκε από την Boeing Research and Technology.
Το παρόν κείμενο δημιουργήθηκε με τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης.
