Výzkumníci z IIT Bombay vyvíjejí schéma řízení bez GPS pro roje autonomních dronů

Nové kontrolní schéma vyvinuté profesorem Dwaipayanem Mukherjeem a výzkumným pracovníkem Chinmayem Garanayakem na Indian Institute of Technology (IIT) Bombay umožňuje bezpilotním vzdušným prostředkům (UAV) létat v koordinovaných rojích, aniž by se spoléhaly na GPS, komunikaci mezi drony nebo centralizované řídicí systémy. Metoda využívá měření pouze ložisek získaná prostřednictvím palubních kamer k určení relativních poloh a udržení formace.

Výzkumníci toto schéma aplikovali na UAV s vertikálním vzletem a přistáním (VTOL), které se mohou vznést bez dráhy a viset ve vzduchu. Tyto drony jsou vhodné pro operace ve stísněných prostorách, jako je sledování a monitorování. „Autonomie v roji je kritickým úkolem,“ řekl pan Mukherjee. „To znamená, že vozidla v roji by měla být schopna rozhodovat o svých ‚akcích‘ na základě proměnných, které mohou měřit pomocí svých palubních senzorů, namísto toho, aby se musela spoléhat na to, že jim budou přiváděny nějaké globální informace nebo nějaký lidský/centralizovaný počítač, který rozhodne, jaká by měla být jejich akce. Zde se naše paradigma liší od těch běžných,“ dodal.

Navrhované schéma ovládání „pouze ložisko“ umožňuje každému dronu používat svou palubní kameru k pozorování svých bezprostředních sousedů a vypočítat informace o ložisku. „Při řízení pouze ložisek je cílem dosáhnout kontroly formace pouze pomocí interagentních měření ložisek,“ řekl pan Garanayak. Systém nevyžaduje GPS ani komunikaci s jinými drony nebo centrálním počítačem.

Měření pomocí kamery jsou méně náchylná k šumu než běžné senzory vzdálenosti, což zjednodušuje senzorový systém dronu a snižuje požadavky na baterii a celkovou hmotnost. Schéma je navrženo tak, aby fungovalo v oblastech, kde není k dispozici GPS nebo kde by mohla být rušena komunikace, takže je vhodné pro operace v utajeném režimu, jako jsou tajné vojenské mise.

Drony VTOL jsou neaktivované systémy, což znamená, že mají šest stupňů volnosti, ale méně přímo ovladatelných pohybů. Zatímco se mohou pohybovat vertikálně a otáčet se kolem tří os, boční a dopředu-dozadu musí být řízeny nepřímo. „Mnoho výsledků v literatuře neřeší podaktivovanou dynamiku vozidel VTOL a zaměřuje se pouze na kinematický model. To nás motivovalo zvážit plně podaktivovaný model VTOL UAV a prozkoumat jeho použitelnost pro řízení formace,“ řekl pan Mukherjee.

Nedostatečně aktivované systémy vyžadují dynamické modely, které zahrnují polohu, orientaci, rychlosti, síly, krouticí momenty a setrvačnost. Předchozí pokusy použít u takových modelů pouze řízení ložisek často selhávají kvůli nestabilitě nebo poruchám za určitých podmínek. Pan Mukherjee a pan Garanayak vyvinuli kontrolní mechanismus, který zajišťuje konvergenci a udržení požadované formace, i když drony startují z nedokonalých pozic. Poskytli přísné matematické důkazy na podporu spolehlivosti systému.

Jejich práce se zabývá dvěma provozními scénáři. V prvním případě drony udržují formaci konstantní rychlostí pomocí údajů o ložisku a rychlosti ložiska. Ve druhém, kde se formace a rychlost mění v průběhu času, drony začleňují kromě údajů o ložisku i svá vlastní měření rychlosti. Systém dokáže zpracovat libovolné časově se měnící konfigurace, což umožňuje dronům procházet úzkými průchody, přestavovat se do jednořadých formací a přizpůsobovat se měnícím se požadavkům mise.

Vědci plánují kontrolní schéma experimentálně otestovat pomocí roje dronů. Na budoucím plánu se zaměřují na řešení předcházení kolizím s teoretickými zárukami. „Většina existujících algoritmů spoléhá na za to schémata předcházení kolizím, která nepřicházejí s žádnými teoretickými zárukami. Vyhýbání se kolizi s předměty v prostředí a mezi drony je výzva, kterou se snažíme řešit na teoretické úrovni,“ řekl pan Mukherjee.