Исследователи разработали рои дронов для локализации утечек газа

Исследователи из Технологического университета Дельфта разработали первый в мире рой крошечных дронов, способных автономно обнаруживать и локализовать утечки газа в тесных внутренних средах. Чтобы найти утечку газа в здании или на промышленном объекте, человеческим пожарным приходится рисковать своей жизнью, поскольку обнаружение источника может занять много времени. Эти новые дроны могут иметь серьезные последствия в этой области.

Разработка ИИ для дронов

Самым большим препятствием для исследователей было разработать необходимый искусственный интеллект (ИИ) для этого сложного задания. Из-за крошечного размера дронов вычислительные и памятьные компоненты должны были плотно вписаться в них. Исследователи полагались на биоинспирированную навигацию и стратегии поиска.

Исследование было опубликовано на сервере статей ArXiv, и оно будет представлено на конференции по робототехнике IROS позже в этом году.

Требования для автономной локализации источника газа

Задача автономной локализации источника газа чрезвычайно сложна и требует искусственных газовых датчиков, которые не очень способны обнаруживать небольшие количества газа. Они также испытывают трудности с поддержанием чувствительности к быстрым изменениям концентрации газа.

Помимо самой задачи, окружающая среда также создает проблемы, когда она сложна. По этим причинам традиционные исследования эволюционировали вокруг одиночных роботов, которые ищут источник газа в небольших, безпрепятственных средах.

Гвидо де Кроон – профессор лаборатории микро-воздушных транспортных средств ТУ Дельфта.

“Мы убеждены, что рои крошечных дронов – это перспективное направление для автономной локализации источника газа”, – говорит Гвидо де Кроон. “Маленький размер дронов делает их очень безопасными для людей и имущества, еще находящегося в здании, в то время как их способность летать позволит им в конечном итоге искать источник в трех измерениях. Кроме того, их небольшой размер позволяет им летать в узких внутренних пространствах. Наконец, наличие роя этих дронов позволяет им локализовать источник газа быстрее, избегая локальных максимумов концентрации газа, чтобы найти истинный источник.”

Несмотря на преимущества этих свойств, они также делают трудным для инженеров реализацию ИИ в дронов для автономной локализации источника газа. Из-за ограничений вокруг бортовых датчиков и обработки алгоритмы ИИ, используемые в самоходных транспортных средствах, не применимы. Поскольку они работают в роях, дроны также должны избегать столкновений друг с другом, сотрудничая.

Барт Дуйстерхоф выполнил исследование в ТУ Дельфта.

“На самом деле, в природе есть много примеров успешной навигации и локализации источника запаха в рамках строгих ограничений ресурсов”, – говорит Дуйстерхоф. “Просто подумайте, как фруктовые мухи с их крошечными мозгами из ~100 000 нейронов безошибочно находят бананы на вашей кухне летом. Они делают это, элегантно сочетая простые поведения, такие как полет против ветра или перпендикулярно ветру, в зависимости от того, чувствуют ли они запах. Хотя мы не смогли直接 скопировать эти поведения из-за отсутствия датчиков потока воздуха на наших роботах, мы наделили наших роботов подобными простыми поведениями, чтобы решить эту задачу.”

https://www.youtube.com/watch?v=hj_SBSpK5qg

Крошечные дроны полагаются на новый алгоритм “жучка” под названием “Чувствительный жучок”, который позволяет дронам разбрасываться, прежде чем они обнаружат любой газ. Это позволяет им охватить большие среды и избежать препятствий или друг друга.

Как только один из дронов обнаруживает газ, он передает эту информацию другим, которые затем сотрудничают друг с другом, чтобы найти источник газа как можно быстрее. Более конкретно, дроны выполняют поиск максимальной концентрации газа с помощью алгоритма “оптимизация роя частиц”, или PSO, где каждый дрон действует как частица.

Алгоритм был вдохновлен социальным поведением и движением стай птиц, где каждый дрон перемещается на основе своего собственного воспринимаемого местоположения максимальной концентрации газа, местоположения стая, и его текущего направления движения и инерции. Одним из преимуществ PSO является то, что для этого требуется только измерение концентрации газа без градиента концентрации газа или направления ветра.

“Это исследование показывает, что рои крошечных дронов могут выполнять очень сложные задачи”, – говорит Гвидо. “Мы надеемся, что эта работа послужит вдохновением для других исследователей робототехники, чтобы переосмыслить тип ИИ, необходимый для автономного полета.”