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Io Uomo tu Robot
Uno sciame di piccoli droni per esplorare ambienti sconosciuti

 

Traendo ispirazione dalla natura, in particolare dalle semplici modalità di volo degli insetti, un team di ricerca congiunto tra i ricercatori dell'Università tecnica di Delft (TU Delft), l’Università Radboud di Nijmegen nei Paese Bassi e l’Università di Liverpool hanno progettato uno sciame di piccoli droni capaci di esplorare ambienti interni sconosciuti in modo del tutto autonomo e che potrebbero essere utilizzati in missioni di ricerca e salvataggio in caso di disastro.

Una ricerca finanziata dal Consiglio olandese delle ricerche (NWO) nell'ambito del programma di intelligenza artificiale naturale. I risultati della ricerca costituiscono un significativo passo in avanti nel campo della robotica sciame, una sfida che deriva dal fatto che i piccoli droni “standard”, che pesano 33 grammi, sono in grado di navigare autonomamente pur avendo capacità computazionali e di rilevamento molto limitate.

Le ridotte dimensioni permettono loro di muoversi in spazi stretti e il loro peso leggero li rende sicuri per operare intorno agli esseri umani. Fino ad ora questo compito era di complessa soluzione a causa della mancanza di adeguate strategie di navigazione.

Il lavoro è stato pubblicato il 23 ottobre 2019 sulla rivista scientifica Science Robotics  “Minimal navigation solution for a swarm of tiny flying robots to explore an unknown environment” e gli autori sono K.N. McGuire, C. De Wagter Guido de Croon del TU Delft, K. Tuyls dell’Università di Liverpool e Bert Kappen dell’Università Radboud Nijmegen.

Robotica di sciame

Per comprendere la “logica dello sciame” occorre ricordare che in natura si possono osservare diverse specie animali che manifestano un comportamento collettivo e tra i più studiati ci sono gli insetti sociali ed altri sistemi biologici, come ad esempio il movimento di banchi di pesci o gli spostamenti di stormi di uccelli.

Seguendo la “logica dello sciame” i ricercatori si sono occupati della   realizzazione e del controllo di sistemi robotici, semplici e relativamente piccoli che, seguendo una logica di interazione e cooperazione utilizzando solo la comunicazione locale, sono in grado alla fine di esibire un comportamento collettivo complesso in grado di risolvere compiti talvolta difficili e che sono comunque al di fuori delle proprie capacità individuali.

Navigare in un ambiente sconosciuto in modo autonomo

Navigare in modo autonomo è forse la sfida più impegnativa di questo progetto essendo i piccoli droni dotati di limitate capacità di calcolo e di rilevamento.

"La sfida più grande nel raggiungimento dell'esplorazione sciame è a livello dell'intelligenza individuale dei droni", afferma Kimberly McGuire, studentessa di dottorato che ha eseguito il progetto.

"All'inizio del progetto, ci siamo concentrati sul raggiungimento di capacità di volo di base come il controllo della velocità e l'evitare gli ostacoli. Dopo di che, abbiamo progettato un metodo per i piccoli droni per rilevare ed evitare l'un l'altro. Abbiamo risolto questo problema facendo in modo che ogni drone portasse un chip di comunicazione wireless e poi utilizzasse la potenza del segnale tra questi chip -- questo è come il numero di barre mostrate sul tuo telefono che diminuiscono quando ti allontani dal router WiFi nella tua casa. I principali vantaggi di questo metodo sono che non richiede hardware aggiuntivo sul drone e che richiede pochissimi calcoli ".

Ispirarsi alla natura ha anche questa volta fornito soluzioni interessanti in quanto sappiamo che gli insetti non elaborano mappe dettagliate del loro percorso, ma sono in grado di conservare a livello comportamentale luoghi rilevanti come la presenza di cibo o il loro nido.

" L'idea principale alla base del nuovo metodo di navigazione è quella di ridurre le nostre aspettative di navigazione all'estremo: richiediamo solo i robot per poter tornare alla stazione base", afferma Guido de Croon, ricercatore principale del progetto. Lo sciame di robot si diffonde per la prima volta nell'ambiente facendo in modo che ogni robot segua una diversa direzione preferita. Dopo aver esplorato, i robot tornano a un faro wireless situato alla stazione base ".

Secondo un principio fondamentali della robotica dello sciame è che i singoli robot obbediscono a regole di controllo relativamente semplici, basandosi semplicemente sui loro input sensoriali locali e sulla comunicazione locale con i loro vicini. Tutto questo avviene senza la necessità di un coordinamento centralizzato e conferisce al sistema robustezza in quanto l’eventuale avaria di un singolo robot viene compensata dagli altri che porteranno a termine l’azione intrapresa.

In questa ricerca l’ostacolo principale deriva dalla capacità computazionali e di rilevamento molto limitate dei piccoli robot e la mancanza di infrastrutture esterne implica che qualsiasi tentativo di posizionamento deve necessariamente essere eseguito dai robot stessi.

Per un efficiente approccio ai problemi della navigazione dei piccoli droni i ricercatori hanno tratto ispirazione dalla biologia esaminando le strategie di navigazione delle api capaci di combinare efficacemente l'integrazione del percorso con il riconoscimento dei punti di riferimento.

I ricercatori ritengono che strategie di navigazione per la localizzazione e mappatura simultanee, basate su immagini della telecamera o telemetri laser, sono ancora troppo impegnative in termini di risorse e, nel caso di piccoli droni, richiedono una notevole elaborazione e memoria e sono pertanto inadatte alla navigazione da parte di piccoli robot. Tuttavia l'utilizzo di più robot pone una nuova serie di problemi: i piccoli droni devono evitarsi a vicenda e debbono essere in grado coordinare la ricerca tra loro per una maggiore dispersione ed evitare situazioni conflittuali.

 

"algoritmo di bug"

Nell’articolo pubblicato su Science Robotics i ricercatori hanno presentato l'algoritmo di bug gradiente sciame (SGBA)  che è una soluzione di navigazione minima che permette ad uno sciame di piccoli robot volanti di esplorare autonomamente un ambiente sconosciuto e successivamente tornare al punto di partenza.

"Il metodo di navigazione proposto è un nuovo tipo di algoritmo di bug", aggiunge Kimberly McGuire. "Gli algoritmi di bug non fanno mappe dell'ambiente, ma affrontano gli ostacoli al volo. In linea di principio, le mappe dettagliate sono molto convenienti, perché permettono a un robot di navigare da qualsiasi punto della mappa a qualsiasi altro punto, lungo un percorso ottimale. Tuttavia, i costi per fare una mappa del genere su piccoli robot sono proibitivi. L'algoritmo bug proposto porta a percorsi meno efficienti, ma ha il merito che può anche essere implementato su piccoli robot".

I ricercatori hanno effettuato sia esperimenti di simulazione che reali per valutare le prestazioni dell'SGBA come soluzione di navigazione autonoma per le missioni esplorative dimostrando che un gruppo di quadrotori commerciali standard da 33 g sono in grado di esplorare con successo un ambiente reale.

Il loro potenziale applicativo è illustrato in una missione di ricerca e salvataggio in cui i piccoli droni sono stati dotati di telecamere e inviati in un ambiente interno, come potrebbe essere un ufficio, per trovare due manichini che rappresentano le vittime in uno scenario di simulazione di un disastro.  

Questo compito di ricerca e soccorso proof-of-concept ha mostrato chiaramente le capacità di uno sciame di sei droni che in solo sei minuti è stato in grado di esplorare circa l'80% delle stanze aperte e che sarebbe stato impossibile solo per uno dei droni. Nella realizzazione di questa prova un drone ha trovato una “vittima”, ma a causa di un guasto hardware della fotocamera non ha potuto riportare alcuna immagine. Per fortuna in un contesto collettivo un altro drone ha individuato la vittima attraverso la propria fotocamera.

Scenari applicativi

L'obiettivo del progetto di ricerca è quello di poter concretamente utilizzare gli sciami di droni in scenari di ricerca e salvataggio. I soccorritori saranno in grado di rilasciare uno sciame di piccoli droni per esplorare un sito di disastro come un edificio che sta per crollare. Lo sciame di droni entrerà nell'edificio, lo esplorerà e tornerà alla stazione base con informazioni pertinenti. I soccorritori possono quindi concentrare i loro sforzi sulle aree più rilevanti, ad esempio, dove ci sono ancora persone all'interno.

Sciami di robot piccoli sarebbero in grado di eseguire compiti che sono attualmente fuori dalla portata di grandi robot singoli ed uno sciame di piccoli droni volanti sarebbe in grado di esplorare un sito di disastro molto più velocemente di un singolo drone più grande.

Credit: Delft University of Technology

 

 

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