חוקרי MIT מציגים את SANDO, מתכנן נתיבים לרחפנים עם הבטחה פורמלית להימנעות מהתנגשויות

חוקרים ב-MIT תיארו מתכנן מסלולים (trajectory planner) לכלי טיס בלתי מאוישים (כטב״מים, UAV) בשם SANDO, קיצור של Safe AutoNomous trajectory planning for Dynamic unknOwn environments (תכנון מסלולים אוטונומי ובטוח לסביבות דינמיות לא מוכרות). לפי MIT News, שהכריז על העבודה ב-7 באוקטובר, המערכת משרטטת נתיב בסביבה שהרחפן מעולם לא מיפה, גם כאשר עצמים בה נעים בדרכים שאיש אינו יכול לחזות, והצוות הוכיח מתמטית שהמסלולים המתקבלים נמנעים מהתנגשויות. המאמר מתפרסם בכתב העת IEEE Transactions on Robotics. החוקרים מצביעים על שימושים כמו טיסות חיפוש והצלה לתוך מבנים שקרסו, חקירת רשתות מנהרות נסתרות במכרות או משלוח חבילות בשכונות סואנות.

מתכננים מסוג זה הופכים נתוני מצלמה וחיישנים מכלי הטיס לנתיב לעבר יעדו. לדברי MIT, רוב המתכננים הקיימים מניחים שהמכשולים במרחב לא מוכר נשארים במקומם, או עוקפים מכשולים נעים בלי כל הבטחה פורמלית שלא תתרחש התנגשות; מערכות נפוצות שכן מספקות הבטחות כאלה זקוקות בדרך כלל לסצנה סטטית או למכשולים הידועים מראש. בדיקת כל התנגשות אפשרית בסצנה משתנה תהיה איטית מדי לשימוש מעשי, לדברי החוקרים. המחבר הראשי קוטה קונדו מנסח זאת כך בהודעת MIT: „בסביבה דינמית לא מוכרת, אין לך הרבה הנחות שאפשר להישען עליהן.”

SANDO בונה תחילה מסדרון בטיחות (safety corridor), שרשרת של אזורים תלת-ממדיים (3D) מחוברים שאין בהם מכשולים ושהרחפן רשאי לטוס דרכם. בניגוד למסדרונות קודמים, מסדרון זה משתנה לאורך הזמן. מודול ייעודי מזהה מכשולים נעים, מקבץ אותם ועוקב אחריהם כדי להעריך לאן הם מועדים. מכיוון שהנתיב העתידי המדויק שלהם אינו ידוע, המתכנן לוקח את המהירות המרבית של כל מכשול, מחשב עד כמה רחוק הוא יכול להגיע בפרק זמן נתון ועוטף אותו בכדור המכסה כל נקודה שהוא יכול להגיע אליה; לאחר מכן המסדרון מעוצב סביב הכדורים האלה. מתכנן מבוסס מפת חום (heat map) מסמן אזורים צפופים ו„חמים” כדי שהרחפן יונחה הרחק מהם. בתוך המסדרון SANDO מחפש את הנתיב המהיר ביותר אל היעד וממשיך לעדכן הן את המסדרון והן את המסלול במהלך הטיסה. הצוות פישט את בעיית האופטימיזציה שבבסיס השיטה כדי שהמחשב המובנה בכלי הטיס (onboard computer) יוכל לתכנן מחדש במהירות.

בסימולציות, כך מדווחים החוקרים, SANDO הגיע ליעדו מהר יותר מכמה מערכות חדישות (state-of-the-art) ולא היו לו התנגשויות באף אחת מהסביבות שנבדקו. ב-12 טיסות ניסוי עם כטב״ם אמיתי, שפעל על המחשב והחיישנים של כלי הטיס עצמו, הוא נמנע מכל המכשולים הנעים. „החלק הקשה ביותר בפיתוח SANDO היה המתמטיקה”, אומר קונדו. קונדו, שהשלים לאחרונה את הדוקטורט שלו באווירונאוטיקה ואסטרונאוטיקה ב-MIT, כתב את המאמר עם חסוס טורדסיאס, כיום פרופסור עוזר באוניברסיטה האפיפיורית קומיאס (Comillas) במדריד, ועם שלושה סטודנטים לתארים מתקדמים ב-MIT: חואן ראצ׳ד, לילי סון ויישואן ג׳יה. ג׳ונתן פ. האו, הפועל במעבדה למערכות מידע והחלטה (LIDS) של MIT ובמעבדה לבקרה אווירו-חללית שלה, הוא המחבר הבכיר. הסוכנות למדע וטכנולוגיה ביטחוניים של סינגפור מימנה את העבודה בחלקה.

פיי גאו מאוניברסיטת ג׳ה-ג׳יאנג (Zhejiang) בסין, פרופסור חבר שלא היה מעורב בפרויקט, סיכם את הבעיה שבה המתכנן מטפל: „נתיב שהוא בטוח בעת תכנונו עלול להפוך ללא בטוח כשהסביבה משתנה.” הוא זוקף לזכותם של מסדרונות הטיסה המשתנים בזמן (time-varying) של SANDO, של אופטימיזציית המסלול עם אילוצים קשיחים ושל ניסויי החומרה את הצעתה של גישה מעשית לסביבות דינמיות מורכבות. כצעדים הבאים, החוקרים אומרים שהם יכולים להפוך את SANDO לתובעני פחות מבחינה חישובית ולשלב אותו עם מודלים של למידת מכונה, כך שמשתמשים יוכלו להנחות רובוט בשפה פשוטה. MIT News מציג גם קישור לקוד של SANDO לצד המאמר.