Decentralized Vision-Based Autonomous Aerial Wildlife Monitoring

لطالما كانت مراقبة الحياة البرية في الطبيعة عملية توازن دقيقة. فالباحثون البيولوجيون بحاجة إلى رؤية الحيوانات بوضوح لفهم سلوكها وصحتها، لكن مجرد الاقتراب منها يمكن أن يزعج الكائنات أو يغير أفعالها الطبيعية. تعتمد الطرق التقليدية غالبًا على مراقبين بشريين في قوارب أو طائرات، وهي طرق محدودة بعدد الأشخاص الذين يمكنهم التواجد في الجو في آن واحد ومدة بقائهم. وحتى عند استخدام الروبوتات، فقد صُممت غالبًا لمراقبة مجموعة كاملة من الحيوانات كوحدة واحدة، أو تتطلب حاسوبًا مركزيًا على الأرض ليخبر كل طائرة بدون طيار (درون) بما يجب فعله. هذا التحكم المركزي يخلق عنق زجاجة؛ فإذا انقطعت الإشارة، يتوقف الفريق بأكمله عن العمل. علاوة على على ذلك، تعتمد العديد من الأنظمة على مستشعرات معقدة أو اتصالات إنترنت عالية السرعة غير موجودة ببساطة في المحيطات أو الغابات النائية. ومن ثم، يكمن التحدي في إنشاء فريق من الروبوتات الطائرة يمكنها العمل معًا دون وجود "رئيس"، باستخدام أعينها الخاصة فقط للعثور على الحيوانات وتحديد هويتها وتتبعها في الوقت الفعلي.

لقد طور فريق من الباحثين نظامًا يحل هذه المشكلة من خلال منح سرب من الطائرات بدون طيار القدرة على التنسيق فيما بينها بشكل مستقل تمامًا. فبدلاً من الاعتماد على مركز قيادة مركزي أو دردشة لاسلكية مستمرة، تستخدم هذه الطائات نهجًا لامركزيًا، مما يعني أن كل روبوت يتخذ قراراته الخاصة بناءً على ما يراه وما يخبره به جيرانه المباشرون. تم تصميم النظام ليكون خفيف الوزن، حيث يستخدم كاميرا قياسية فقط في كل طائرة، ويعمل بفعالية حتى عندما تكون الاتصالات بطيئة أو محدودة. اختبر الباحثون هذا المفهوم باستخدام حيتان العنبر كنموذج، وهي فصيلة يصعب تتبعها لأنها تقضي معظم وقتها تحت الماء وغالبًا ما تكون بعيدة عن الشاطئ. كان الهدف هو إثبات أن مجموعة من الطائرات بدون طيار يمكنها البحث ذاتيًا عن هذه الحيوانات، والاتفاق على تحديد أي حوت هو أي آخر، وتعيين حوت محدد لكل طائرة لتتبعه، وكل ذلك دون الحاجة مطلقًا إلى تدخل بشري أو حاسوب مركزي لتوجيه الأسطول.

تبدأ العملية بطائرة واحدة تعمل ككشاف. تطير هذه الطائرة في نمط حلزوني متسع فوق مساحة كبيرة، ماسحة المياه بكاميرتها. وعندما يرصد برنامج الرؤية الخاص بها حوتًا، فإنه لا يكتفي بالتقاط صورة فحسب؛ بل يحسب الموقع الدقيق ويرسل إشارة إلى بقية السرب. ثم تطير الطائرات الأخرى نحو ذلك الموقع لتشكل مجموعة، أو "سربًا"، حول الحيوانات. وهنا يتجلى الابتكار الحقيقي للنظام. فبمجرد تجمع الطائرات، يجب عليها معرفة أي حوت تنظر إليه كل واحدة منها، لأن الطائرات المختلفة ترى نفس الحيوانات من زوايا مختلفة. ولحل هذه المعضلة، ابتكر الباحثون طريقة تقوم فيها الطائات بنقل المعلومات إلى جيرانها في سلسلة. تقارن كل طائرة قائمة الحيتان التي تراها بالقائمة التي يراها جارها، وتطابقها بناءً على مواقعها وأشكالها حتى يتفق الفريق بأكمله على خريطة موحدة واحدة لمن هو مَن. يحدث هذا بالكامل من خلال البيانات المرئية، دون الحاجة إلى إحداثيات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) للحيوانات نفسها.

بمجرد أن تتفق المجموعة على هويات الحيتان، يجب عليها تقرير أي طائرة ستتبع أي حيوان. يستخدم النظام خوارزمية ذكية تنظر إلى المجموعة بأكملها والحيتان المتاحة لتعيين أفضل الأزواج الممكنة. تضمن هذه الخوارزمية عدم محاولة اثنتين من الطائرات تتبع نفس الحوت، وعدم ترك أي حوت دون مراقبة، حتى لو كان هناك عدد من الحيتان أكبر من عدد الطائرات. تحدث عملية صنع القرار هذه محليًا، حيث تتحدث كل طائرة فقط مع جيرانها، مما يسمح للنظام بالتوسع أو التقلص حسب عدد الحيوانات الموجودة. وبعد إجراء التعيينات، تقوم كل طائرة بتثبيت رؤيتها على حوتها المحدد، مستخدمة الكاميرا لتتبع حركة الحيوان في الوقت الفعلي. وتعدل الطائرة مسار طيرانها لإبقاء الحوت في مركز رؤيتها، مما يخلق سجلًا مستمرًا عالي الدقة لسلوك ذلك الفرد.

تحقق الباحثون من صحة هذا النظام من خلال سلسلة من الاختبارات، بدأت بمحاكاة حاسوبية وانتقلت إلى رحلات في العالم الحقيقي. وفي الميدان، قاموا بتشغيل الطائرات فوق ملعب كرة قدم حيث وضعوا ملصقات كبيرة لحيتان لمحاكاة الحيوانات. نجحت الطائرات في البحث في المنطقة، والعثور على الأهداف، والتجمع معًا، وتعيين نفسها لملصقات محددة. وقد أظهرت أن النظام يمكنه التعامل مع تعقيد تعدد الأهداف وتعدد المراقبين، مع الحفاظ على الدقة حتى أثناء تحرك الطائرات وتغير رؤية الحيتان. وأظهرت الاختبارات أن الطائرات يمكنها التواصل ببيانات قليلة جدًا، حيث ترسل فقط المعلومات الأساسية اللازمة للتنسيق، مما يعني أن النظام يمكن أن يعمل في المناطق النائية ذات الاتصال الضعيف بالإنترنت. كانت النتائج موثوقة للغاية، حيث حددت الطائرات الأهداف وتتبعتها بشكل صحيح في معظم الحالات، مما أثبت أن النهج اللامركزي القائم على الرؤية هو وسيلة قابلة للتطبيق لمراقبة الحياة البرية على نطاق واسع.

يمثل هذا العمل خطوة كبيرة للأمام في كيفية دراسة الطبيعة دون إزعاجها. فمن خلال إلغاء الحاجة إلى متحكم مركزي والاعتماد على قدرة الطائرات على الرؤية والتحدث مع بعضها البعض، خلق الباحثون أداة تتسم بالمرونة والمتانة. إنها تسمح للعلماء بمراقبة الحيوانات الفردية في موائلها الطبيعية بمستوى من التفصيل والاستمرارية كان مستحيلاً في السابق. هذا النظام ليس مجرد فكرة نظرية؛ فقد تم اختباره في ظروف حقيقية وأثبت فعاليته. ومع نضوج هذه التكنولوجيا، يمكنها أن تغير البحث البيئي، مما يسمح بالمراقبة المستمرة للأنواع المهددة بالانقراض وتوفير بيانات حيوية عن صحتها وسلوكها دون اقتحام من المراقبين البشر. إن القدرة على جعل سرب من الآلات يعمل معًا كوحدة واحدة ذكية تفتح آفاقًا جديدة لفهم العالم الطبيعي، مما يوفر طريقة هادئة وغير اقتحامية لمراقبة البرية من الأعلى.