Zwerm autonome kleine drones kan gaslekken lokaliseren

Onderzoekers van de TU Delft, de Universiteit van Barcelona en Harvard University hebben voor het eerst een zwerm kleine – en dus zeer veilige – drones ontwikkeld die autonoom gasbronnen kunnen detecteren en lokaliseren in onoverzichtelijke binnenruimten.

De kunstmatige intelligentie voor deze complexe taak vormde de belangrijkste uitdaging voor de onderzoekers, aangezien rekenvermogen en geheugen van de kleine drones zeer beperkt waren. Ze losten dit probleem op door middel van op de natuur geïnspireerde navigatie- en zoekstrategieën.

Autonome lokalisatie van gasbronnen is een complexe taak. Kunstmatige gassensoren zijn minder goed dan dierenneuzen in staat om kleine hoeveelheden gas te detecteren en te reageren op snelle veranderingen in de gasconcentratie. Bovendien kan de omgeving waarin het gas zich verspreidt complex zijn. Veel van het onderzoek op dit gebied heeft zich dan ook gericht op zelfstandige robots die naar een gasbron zoeken in vrij kleine omgevingen zonder obstakels, waarin de bron gemakkelijker te vinden is.

Het onderzoeksteam heeft commercieel verkrijgbare CrazyFlie-drones gebruikt, die een diameter van 12 cm hebben en slechts ongeveer 37.5 gram wegen.

De kleine drones beschikken voor hun navigatie over een nieuw ‘insectenalgoritme’, genaamd Sniffy Bug. Zolang er nog geen drone gas heeft geroken, verspreiden de drones zich zoveel mogelijk over de omgeving, terwijl ze obstakels en elkaar ontwijken. Als een van de drones gas detecteert, geeft hij dit door aan de anderen. Vanaf dat moment gaan de drones met elkaar samenwerken om zo snel mogelijk de gasbron te vinden. De zwerm zoekt dan de maximale gasconcentratie met een algoritme genaamd ‘particle swarm optimization’ (PSO), waarbij elke drone fungeert als een ‘deeltje’. Oorspronkelijk was dit algoritme gemodelleerd naar het sociale gedrag en de bewegingen van vogelzwermen. Elke drone beweegt op basis van de locatie waar hij zelf de hoogste gasconcentratie waarneemt, de locatie waar de zwerm de hoogste concentratie waarneemt, en een momentum om in dezelfde richting te blijven bewegen. Het voordeel van deze zoekstrategie is dat alleen de gasconcentratie gemeten hoeft te worden, en niet de gasconcentratiegradiënt of de richting van de luchtstroom. Bovendien zorgt het algoritme ervoor dat de zwerm lokale maxima kan negeren die in complexe omgevingen kunnen optreden.