Ερευνητές του MIT παρουσιάζουν το SANDO, έναν σχεδιαστή διαδρομών για drones με τυπική εγγύηση αποφυγής συγκρούσεων

Ερευνητές του MIT περιέγραψαν έναν σχεδιαστή τροχιών για μη επανδρωμένα αεροσκάφη (UAV) με την ονομασία SANDO, συντομογραφία του Safe AutoNomous trajectory planning for Dynamic unknOwn environments (ασφαλής αυτόνομος σχεδιασμός τροχιών για δυναμικά άγνωστα περιβάλλοντα). Σύμφωνα με το MIT News, που ανακοίνωσε την εργασία στις 7 Οκτωβρίου, το σύστημα χαράσσει μια διαδρομή μέσα σε περιβάλλοντα που το drone δεν έχει χαρτογραφήσει ποτέ, ακόμη και όταν αντικείμενα σε αυτά κινούνται με τρόπους που κανείς δεν μπορεί να προβλέψει, και η ομάδα απέδειξε μαθηματικά ότι οι τροχιές που προκύπτουν αποφεύγουν τις συγκρούσεις. Η δημοσίευση εμφανίζεται στο IEEE Transactions on Robotics. Οι ερευνητές επισημαίνουν χρήσεις όπως πτήσεις έρευνας και διάσωσης σε κτίρια που έχουν καταρρεύσει, εξερεύνηση κρυφών δικτύων σηράγγων σε ορυχεία ή παράδοση δεμάτων σε πολυσύχναστες γειτονιές.

Οι σχεδιαστές αυτού του είδους μετατρέπουν δεδομένα από τις κάμερες και τους αισθητήρες του αεροσκάφους σε μια διαδρομή προς τον στόχο του. Το MIT αναφέρει ότι οι περισσότεροι υπάρχοντες είτε υποθέτουν ότι τα εμπόδια σε έναν άγνωστο χώρο παραμένουν ακίνητα είτε παρακάμπτουν κινούμενα εμπόδια χωρίς καμία τυπική δέσμευση ότι δεν θα συμβεί σύγκρουση· τα ευρέως χρησιμοποιούμενα συστήματα που παρέχουν τέτοιες εγγυήσεις χρειάζονται γενικά ένα στατικό περιβάλλον ή εμπόδια γνωστά εκ των προτέρων. Ο έλεγχος κάθε πιθανής σύγκρουσης σε ένα μεταβαλλόμενο περιβάλλον θα ήταν υπερβολικά αργός για πρακτική χρήση, σύμφωνα με τους ερευνητές. Ο κύριος συγγραφέας Kota Kondo το διατυπώνει ως εξής στην ανακοίνωση του MIT: «Σε ένα άγνωστο δυναμικό περιβάλλον, δεν έχεις πολλές παραδοχές στις οποίες να βασιστείς.»

Το SANDO κατασκευάζει πρώτα έναν διάδρομο ασφαλείας, μια αλυσίδα συνδεδεμένων 3D περιοχών που δεν περιέχουν εμπόδια και μέσα από τις οποίες μπορεί να πετάξει το drone. Σε αντίθεση με προηγούμενους διαδρόμους, αυτός μεταβάλλεται με την πάροδο του χρόνου. Μια ειδική μονάδα ανιχνεύει τα κινούμενα εμπόδια, τα ομαδοποιεί και τα παρακολουθεί για να εκτιμήσει προς τα πού κατευθύνονται. Επειδή η ακριβής μελλοντική τους πορεία είναι άγνωστη, ο σχεδιαστής λαμβάνει τη μέγιστη ταχύτητα κάθε εμποδίου, υπολογίζει πόσο μακριά θα μπορούσε να φτάσει μέσα σε δεδομένο χρόνο και το περικλείει σε μια σφαίρα που καλύπτει κάθε σημείο στο οποίο θα μπορούσε να φτάσει· ο διάδρομος διαμορφώνεται στη συνέχεια γύρω από αυτές τις σφαίρες. Ένας σχεδιαστής βασισμένος σε θερμικό χάρτη (heat map) επισημαίνει τις πολυσύχναστες «θερμές» περιοχές ώστε το drone να κατευθύνεται μακριά από αυτές. Μέσα στον διάδρομο, το SANDO αναζητά την ταχύτερη διαδρομή προς τον στόχο και αναθεωρεί συνεχώς τόσο τον διάδρομο όσο και την τροχιά κατά τη διάρκεια της πτήσης. Η ομάδα απλοποίησε την υποκείμενη βελτιστοποίηση ώστε ο ενσωματωμένος υπολογιστής του αεροσκάφους να μπορεί να επανασχεδιάζει γρήγορα.

Στις προσομοιώσεις, όπως αναφέρουν οι ερευνητές, το SANDO έφτασε στον στόχο του ταχύτερα από αρκετά συστήματα τελευταίας τεχνολογίας και δεν είχε καμία σύγκρουση σε κανένα από τα περιβάλλοντα που δοκιμάστηκαν. Σε 12 δοκιμαστικές πτήσεις με πραγματικό UAV, με το σύστημα να εκτελείται στον υπολογιστή και στους αισθητήρες του ίδιου του αεροσκάφους, απέφυγε όλα τα κινούμενα εμπόδια. «Το πιο δύσκολο κομμάτι στην ανάπτυξη του SANDO ήταν τα μαθηματικά», λέει ο Kondo. Ο Kondo, ο οποίος ολοκλήρωσε πρόσφατα το διδακτορικό του στην αεροναυπηγική και αστροναυτική στο MIT, έγραψε τη δημοσίευση μαζί με τον Jesús Tordesillas, νυν επίκουρο καθηγητή στο Comillas Pontifical University στη Μαδρίτη, και τρεις μεταπτυχιακούς φοιτητές του MIT, τους Juan Rached, Lili Sun και Yixuan Jia. Ο Jonathan P. How, ο οποίος εργάζεται στο Laboratory for Information and Decision Systems (LIDS) του MIT και στο Aerospace Controls Laboratory του, είναι ο επιβλέπων συγγραφέας (senior author). Η Defense Science and Technology Agency της Σιγκαπούρης χρηματοδότησε εν μέρει την εργασία.

Ο Fei Gao από το Zhejiang University στην Κίνα, αναπληρωτής καθηγητής χωρίς συμμετοχή στο έργο, συνόψισε το πρόβλημα στο οποίο στοχεύει ο σχεδιαστής: «μια διαδρομή που είναι ασφαλής όταν σχεδιάζεται μπορεί να γίνει μη ασφαλής καθώς το περιβάλλον αλλάζει.» Πιστώνει στους χρονικά μεταβαλλόμενους διαδρόμους πτήσης του SANDO, στη βελτιστοποίηση τροχιών με αυστηρούς περιορισμούς και στις δοκιμές σε υλικό ότι προσφέρουν μια πρακτική προσέγγιση για σύνθετα δυναμικά περιβάλλοντα. Ως επόμενα βήματα, οι ερευνητές λένε ότι θα μπορούσαν να κάνουν το SANDO λιγότερο απαιτητικό υπολογιστικά και να το συνδυάσουν με μοντέλα μηχανικής μάθησης, ώστε οι χρήστες να μπορούν να δίνουν οδηγίες σε ένα ρομπότ σε απλή γλώσσα. Το MIT News παραθέτει επίσης έναν σύνδεσμο προς τον κώδικα του SANDO δίπλα στη δημοσίευση.