Tip:
Highlight text to annotate it
X
A természet telis-tele van élőlények csoportos
mozgásának lenyűgöző mintázataival.
Ezek a mintázatok univerzálisak.
Emlősök, madarak, halak de még a baktériumok is gyakran rendeződnek
nagyon hasonló, összetartó falkákba, rajokba.
A jelenség számos kérdést vet fel:
Mindenekelőtt, miért és hogyan valósítják meg az élőlények
a csoportos mozgást, és mi mit tanulhatunk mindebből?
A galambok közismerten jó összhangban repülnek és kiváló adottsággal
találják meg a haza vezető utat.
Mini hordozható GPS eszközök segítségével rögzítettük a galambok mozgáspályáját.
A feldolgozott mérési adatok vizualizációja egyértelműen mutatja
a kifinomult döntéshozatali folyamatot, melynek során a galambok,
megtalálják a legrövidebb haza vezető útvonalat.
Az egész egy állandó szavazási folyamathoz hasonlítható.
Mi a budapesti Eötvös Lóránd Tudományegyetemen
a csoportos mozgást kutatjuk.
A kutatás támogatója a European Research Council.
A csoportos mozgás vonatkozhat madárcsapatokra, halrajokra,
tetszőleges repülési vagy földi útvonal mintázatokra, amit
csapatos élőlények hoznak létre.
Arra a megállapításra jutottunk,
hogy a legjobb módja, hogy megértsük, az állatok miként mozognak együtt,
ha csoportosan mozgó robotokat, repülő drónokat építünk.
Ezeket a robotokat irányíthatjuk,
és az irányításon keresztül megérthetjük,
hogy a különböző hatások miként befolyásolják a csoportos mozgást.
Az élőlények megfigyelésével pedig
jobb robotokat építhetünk.
Ezek a dolgok tehát egymásra hatnak.
A 3D robotika felé vezető úton ujjgyakorlatként
építettünk egy medencét, ahol
olcsó, távirányítású kishajókkal kísérleteztünk.
Ezek a kis robotok nem voltak autonómak.
Ennek ellenére elértek egy közös célt: spontán körkörös mozgást.
Körülbelül öt évvel ezelőtt
úgy döntöttünk, hogy úgy tudnánk a legjobban megérteni a csoportos repülést,
ha mi magunk építenénk önműködő repülő robotokat.
Vettünk egy tucat viszonylag olcsó
kereskedelmi forgalomban kapható úgynevezett kvadrokoptert,
amik kézi távirányítással voltak működtethetők.
Fejlesztettünk egy saját hardver réteget,
ami ezeket a koptereket önműködő drónokká változtatja.
Ez a hardver lapka összegyűjti a környezetből az információkat,
kommunikál a többi drónnal
és ezek alapján magas szintű vezérlő utasításokat számol,
mint az aktuális kívánt sebesség vagy pozíció.
Ha az új agyba megfelelő csoportos repülési algoritmust töltünk,
a kopterek képesek lesznek önműködően repülni.
Ezáltal teljesen függetlenné válnak a kézi irányítástól
és a csoportos repülési feladatokat önállóan tudják végrehajtani.
A kifinomult és valósághű szimulációs környezet ellenére
számtalan légibalesetünk volt.
Megfelelő mechanikai burkolatot
kellett létrehozni a koptereken.
Többek között egy speciális leszálló egységet fejlesztettünk.
Tehát elhatároztuk, hogy építünk egy csapat önműködő drónt.
Egy autó nem önműködő.
Természetesen egy autó is lehet önműködő vezérlésű,
ha van agya
vagy egy sofőr által
vagy egy érzékelőkkel ellátott óriási számítógép formájában.
Nekünk ugyanezt apró repülő robotokon kellett megvalósítanunk.
Eddigi hasonló kutatások
zárt térben zajlottak csak,
és a robotoknak
egy központi számítógéppel kellett kommunikálniuk.
A mi esetünkben minden egyes kopter
egy saját kis számítógép-aggyal van ellátva.
Ezek teljesen önműködő gépek
abban az értelemben, hogy minden döntésük a kívánt
irány vagy helyzet elérésére saját,
az alapján az információ alapján számolt, ami
elérhető lokálisan a saját és a többi egyed pozíciójáról, sebességéről.
Ezáltal az egész csapat önműködő lesz.
És amellett, hogy ez egy önműködő egyedek halmaza,
ők közösen is döntenek,
tehát a csapat teljesítménye
sokkal jobb, mint az egyszerű teljesítmények összege.
Miután a drónok utasítást kaptak, hogy képezzenek egy kört,
minden egyed megtalálja a kialakuló körben a saját helyét.
Még a kör forgási iránya is önszerveződő módon alakul,
a drónok aktuális pozíciói és sebességei alapján.
Ha a drónok kapnak egy külső utasítást,
hogy változtassák meg a csoportos alakzatot,
képesek önállóan átalakulni egy egyenes szakasszá,
vagy egy rácsba.
A drónoknak folyamatosan ellensúlyozni kell a zavaró környezeti hatásokat,
mint a szél, GPS kimaradások,
a forgó propellerek által gerjesztett rezgések,
vagy a kommunikációs hálózatuk késleltetései.
Ezért a fejlesztést egy realisztikus szimulációs keretrendszerrel kezdtük,
ami mindezeket a tényezőket figyelembe veszi.
A számítógépes szimulációkban a kopterek lila körrel vannak jelölve,
aktuális sebességeiket pedig fehér nyilacskák mutatják.
Nem jól beállított paraméterekkel
a mozgás instabil.
Ha azonban a rendszer jól van hangolva,
az oszcillációk eltűnnek és a kívánt mintázatok megjelennek.
A kvadrokopterek egy informált vezetőt követnek,
aki egy előre definiált útvonalon vezeti őket.
Ebben az esetben a vezető csak félig önműködő.
Egyrészt egy utasítást követ, hogy az útvonalon maradjon,
másrészt viszont igyekszik elkerülni az ütközést a többiekkel.
Az animáció valós GPS útvonal adatok alapján készült,
amik szemléletesebbé varázsolják a vizualizációt.
Ez a hierarchikus vezérlés legegyszerűbb esete.
Csak két szintből áll: vezetőkből és követőkből.
A többszintű hierarchiára való kiterjesztés
- ami pl. a galambok esetében is megfigyelhető -
egy izgalmas és kívánatos jövőbeli kutatási irány.
Számos csoportos repülési mintázat
reprodukálható a robotcsapatunkkal.
Létrehozhatunk virtuális "puha" falakat,
amin a robotok nem tudnak átmenni.
A fal lehet kör alakú,
vagy nágyzetes,
a csapat mindkettőt önszerveződő, félig véletleszerű módon kerüli ki.
Ha akadályokat helyezünk a pályára,
és csak egy szűk folyosón lehetséges az átjutás,
akkor a robotok betömörülnek.
A drónokat többnyire háborúval, terrorizmussal
és cyber-támadásokkal hozzák összefüggésbe,
ám a drónokat békésebb, civil felhasználásban is alkalmazhatjuk.
A globális felmelegedés évszázadában
a kis költségű környezetvédelmi vagy mezőgazdasági monitorozás nélkülözhetetlen.
Egy csapat drónnal létrehozhatsz egy önszervezdő
légi monitoring rendszert,
anélkül, hogy zavarnád a földi
állatokat vagy növényeket, amiket megfigyelsz.
De a drónok más alkalmazásokban is hasznosak.
Mentőakciók és ad-hoc kommunikációs hálózat résztvevői lehetnek,
de akár ételt vagy leveleket is kézbesíthetsz velük.
A jövőnk minden bizonnyal telis-tele van drónokkal,
de az a mi felelősségünk, hogy mire használjuk őket.
Valójában,
a robotcsapat vizgálata során
sokkal jobban megértettünk
például a madarak repülését.
Mostanra világossá vált, hogy
az egyedek közti reakcióidőknek
rendkívül kicsinek kell lenni,
hogy a szép, rendezett mozgás fennmaradhasson.
Továbbá,
az egyedeknek meg kell tudni jósolni a többiek pályáját,
hogy a rendezettség magas fokát fenntarthassák.