MIT-forskare presenterar SANDO, en ruttplanerare för drönare med formell garanti mot kollisioner

Forskare vid MIT har beskrivit en trajektorieplanerare för obemannade luftfartyg (UAV) kallad SANDO, en förkortning av Safe AutoNomous trajectory planning for Dynamic unknOwn environments (säker autonom trajektorieplanering för dynamiska okända miljöer). Enligt MIT News, som presenterade arbetet den 7 oktober, stakar systemet ut en rutt genom omgivningar som drönaren aldrig har kartlagt, även när föremål i dem rör sig på sätt som ingen kan förutsäga, och teamet bevisade matematiskt att de resulterande trajektorierna undviker kollisioner. Artikeln publiceras i IEEE Transactions on Robotics. Forskarna pekar på användningsområden som sök- och räddningsflygningar in i kollapsade byggnader, utforskning av dolda tunnelsystem i gruvor eller paketleveranser i livliga bostadsområden.

Planerare av det här slaget omvandlar kamera- och sensordata från farkosten till en väg mot dess mål. MIT uppger att de flesta befintliga planerare antingen antar att hinder i ett okänt utrymme står stilla, eller styr runt rörliga hinder utan något formellt löfte om att ingen krasch kommer att ske; allmänt använda system som ger sådana garantier kräver i regel en statisk miljö eller hinder som är kända i förväg. Att kontrollera varje tänkbar kollision i en föränderlig miljö skulle vara för långsamt för praktisk användning, enligt forskarna. Huvudförfattaren Kota Kondo uttrycker det så här i MIT:s tillkännagivande: ”I en okänd dynamisk miljö har man inte många antaganden att luta sig mot.”

SANDO bygger först en säkerhetskorridor, en kedja av sammanhängande 3D-regioner som inte innehåller några hinder och som drönaren får flyga genom. Till skillnad från tidigare korridorer förändras den här över tid. En särskild modul upptäcker rörliga hinder, grupperar dem och följer dem för att uppskatta vart de är på väg. Eftersom deras exakta framtida bana är okänd utgår planeraren från varje hinders maximala hastighet, räknar ut hur långt det skulle kunna ta sig inom en given tid och omsluter det med en sfär som täcker varje punkt det skulle kunna nå; korridoren formas sedan runt dessa sfärer. En värmekartbaserad planerare markerar trånga ”heta” områden så att drönaren styrs bort från dem. Inom korridoren söker SANDO efter den snabbaste vägen till målet och reviderar både korridor och trajektoria fortlöpande under flygningen. Teamet förenklade den underliggande optimeringen så att omborddatorn snabbt kan planera om.

I simuleringar nådde SANDO sitt mål snabbare än flera toppmoderna system och hade inga kollisioner i någon av de testade miljöerna, rapporterar forskarna. I 12 testflygningar med en verklig UAV, där systemet kördes på farkostens egen dator och egna sensorer, undvek det alla rörliga hinder. ”Det svåraste med att utveckla SANDO var matematiken”, säger Kondo. Kondo, som nyligen avlade sin doktorsexamen i flyg- och rymdteknik vid MIT, skrev artikeln tillsammans med Jesús Tordesillas, numera biträdande professor vid Comillas Pontifical University i Madrid, och tre forskarstuderande vid MIT, Juan Rached, Lili Sun och Yixuan Jia. Jonathan P. How, som arbetar vid MIT:s Laboratory for Information and Decision Systems (LIDS) och dess Aerospace Controls Laboratory, är seniorförfattare. Singapores Defense Science and Technology Agency finansierade arbetet delvis.

Fei Gao vid Zhejiang University i Kina, docent utan någon roll i projektet, sammanfattade problemet som planeraren riktar in sig på: ”en väg som är säker när den planeras kan bli osäker när miljön förändras.” Han tillskriver SANDO:s tidsvarierande flygkorridorer, trajektorieoptimering med hårda villkor och hårdvarutester förtjänsten att erbjuda ett praktiskt tillvägagångssätt för komplexa dynamiska miljöer. Som nästa steg säger forskarna att de skulle kunna göra SANDO mindre beräkningskrävande och koppla ihop det med maskininlärningsmodeller så att användare kan instruera en robot på vanligt språk. MIT News anger också en länk till SANDO-koden bredvid artikeln.