Ingenieurs van Caltech hebben een nieuw besturingsalgoritme ontwikkeld waarmee een enkele drone een hele zwerm vogels kan wegdrijven uit het luchtruim van een luchthaven. Het algoritme wordt gepresenteerd in een studie in IEEE-transacties op robotica .

Het project is geïnspireerd op de 2009 "Miracle on the Hudson, " toen US Airways-vlucht 1549 kort na het opstijgen een zwerm ganzen trof en piloten Chesley Sullenberger en Jeffrey Skiles werden gedwongen te landen in de Hudson River bij Manhattan.

"De passagiers van vlucht 1549 werden alleen gered omdat de piloten zo bekwaam waren, " zegt Soon-Jo Chung, een universitair hoofddocent lucht- en ruimtevaart en Bren Scholar in de afdeling Engineering en Toegepaste Wetenschappen, evenals een JPL-onderzoeker, en de hoofdonderzoeker van het drone hoedenproject. "Het deed me denken dat de volgende keer misschien niet zo'n happy end zal hebben. Dus begon ik manieren te zoeken om het luchtruim te beschermen tegen vogels door gebruik te maken van mijn onderzoeksgebieden op het gebied van autonomie en robotica."

Huidige strategieën voor het beheersen van het luchtruim omvatten het aanpassen van de omgeving om het minder aantrekkelijk te maken voor vogels, met behulp van getrainde valken om kuddes af te schrikken, of zelfs een drone besturen om de vogels bang te maken. Deze strategieën kunnen kostbaar zijn of - in het geval van de met de hand bestuurde drone - onbetrouwbaar, zegt Chung, die onderzoeker is bij Caltech's Centre for Autonomous Systems and Technologies.

"Bij het hoeden van vogels uit een luchtruim, je moet heel voorzichtig zijn in hoe je je drone positioneert. Als het te ver weg is, het zal de kudde niet verplaatsen. En als het te dichtbij komt, u loopt het risico de kudde te verspreiden en volledig onbeheersbaar te maken. Dat is lastig met een bestuurde drone."

Hoeden is afhankelijk van het vermogen om een ​​kudde als een enkele, bevatte entiteit - het bij elkaar houden terwijl het zijn reisrichting verschuift. Elke vogel in een koppel reageert op veranderingen in het gedrag van de vogels die het dichtst bij zijn. Effectief hoeden vereist een externe dreiging - in dit geval de drone - om zichzelf zo te positioneren dat het vogels langs de rand van een zwerm aanmoedigt om koersveranderingen aan te brengen die vervolgens de vogels die het dichtst bij hen staan ​​beïnvloeden, die vogels verder in de kudde beïnvloeden, enzovoort, totdat de hele kudde van koers verandert. De positionering moet nauwkeurig zijn, echter:als de externe dreiging te ijverig wordt en op de kudde afstormt, de vogels zullen in paniek raken en individueel handelen, niet collectief.

In 2013, terwijl hij assistent-professor was aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, Chung ontving een CAREER Award van de National Science Foundation om het probleem aan te pakken. Oorspronkelijk, Chung was van plan een zelfgeleide, fladderende robot wiens vlucht die van een valk zou nabootsen, in de veronderstelling dat het bio-geïnspireerde ontwerp het nog effectiever zou maken bij het beheersen van koppels door ze een natuurlijk ogende bedreiging te presenteren. Hoewel het werk in die richting een geheel nieuwe stijl van drone opleverde - de 'Bat Bot' die Chung in 2017 onthulde - ontdekte hij dat een kant-en-klare quadrotor-drone net zo effectief was in het hoeden van vogels.

Om de drone te leren autonoom te kudden, Chung en zijn collega's, waaronder Aditya Paranjape van Imperial College London, een van zijn oud-studenten, bestudeerde en afgeleide een wiskundig model van stroomden dynamiek om te beschrijven hoe koppels formaties bouwen en onderhouden, hoe ze reageren op bedreigingen langs de rand van de kudde, en hoe ze die dreiging vervolgens via de kudde communiceren. Hun werk verbetert de algoritmen die zijn ontworpen voor het hoeden van schapen, die alleen in twee dimensies hoefde te werken, in plaats van drie.

"We hebben de koppeldynamiek en interactie tussen koppels en achtervolgers zorgvuldig bestudeerd om een ​​wiskundig verantwoord hoedenalgoritme te ontwikkelen dat veilige verplaatsing van koppels garandeert met behulp van autonome drones, " zegt Kyunam Kim, postdoctoraal onderzoeker in de lucht- en ruimtevaart bij Caltech en een co-auteur van de IEEE-paper.

Toen ze eenmaal in staat waren om een ​​wiskundige beschrijving van massaal gedrag te genereren, de onderzoekers hebben het reverse-engineered om precies te zien hoe op naderende externe bedreigingen zou worden gereageerd door kuddes, en vervolgens die informatie gebruikten om een ​​nieuw kudde-algoritme te creëren dat ideale vliegroutes produceert voor inkomende drones om de kudde weg te halen uit een beschermd luchtruim zonder het te verspreiden.

"Mijn vorige onderzoek richtte zich op ruimtevaartuigen en dronezwermen, die verrassend relevant bleek te zijn voor dit project, ' zegt Chung.

Het team testte het algoritme op een zwerm vogels in de buurt van een veld in Korea en ontdekte dat een enkele drone een zwerm vogels uit een aangewezen luchtruim kon houden. De effectiviteit van het algoritme wordt alleen beperkt door het aantal en de grootte van de binnenkomende vogels, Chung zegt, eraan toevoegend dat het team van plan is om manieren te onderzoeken om het project op te schalen voor meerdere drones die met meerdere koppels te maken hebben.