Field-Validated Formation Control for Autonomous Surface Vehicle Fleets in Aquatic Environments with Currents

تتعرض الأنهار والبحيرات والمصبات الساحلية لضغوط متزايدة من النشاط البشري وتغير المناخ، مما يخلق حاجة ملحة لمراقبة جودة المياه عبر مساحات شاسعة ومتغيرة. يمكن لمحطات المراقبة الثابتة مراقبة نقطة واحدة فقط، لكن أساطيل القوارب الروبوتية الصغيرة المجهزة بأجهزة استشعار يمكنها تغطية مساحات أكبر بكما. يكمن التحدي في جعل هذه الروبوتات تعمل معًا بفعالية؛ إذ يجب أن تحافظ على شكل محدد بالنسبة لبعضها البعض لجمع بيانات دقيقة، ومع ذلك فهي تعمل في بيئة فوضوية مليئة بالتيارات القوية، والعوائق العائمة، وإشارات لاسلكية غير موثوقة. إذا قاومت الروبوتات التيار للحفاظ على موقع ثابت على الخريطة، فإنها تهدر طاقة ثمينة، وإذا انجرفت بحرية أكثر من اللازم، فإنها تفقد التشكيل اللازم لإعادة بناء صورة واضحة لحالة المياه. الهدف هو إيجاد طريقة تسمح لمجموعة من الروبوتات بالبقاء في تشكيل معين مع السماح للنهر بحملها، مع ضمان عدم اصطدامها ببعضها البعض أو بالشاطئ.

لقد طور واختبر باحثون في جامعة ديلاوير طريقة تحكم جديدة تسمح لأساطيل المركبات السطحية ذاتية القيادة بالقيام بذلك تمامًا. فبدلاً من إجبار الروبوتات على الحفاظ على موقع صلب في الفضاء، يوجهها النظام للحفاظ على المسافات النسبية فيما بينها، مما يسمح للمجموعة بأكملها بالانجراف مع التيار مثل سرب من الأسماك يتحرك مع مجرى مائي. تم التحقق من صحة هذا النهج من خلال عمليات محاكاة حاسوبية واختبارات ميدانية واقعية باستخدام أربعة قوارب روبوتية صغيرة متاحة تجاريًا تسمى "جايابات" (Jaiabots). اختبر الفريق النظام أولاً في المياه الهادئة والمسيطر عليها في بحيرة "ألور" في بنسلفانيا، ثم انتقل إلى البيئة الأكثر صعوبة في نهر ديلاوير في فيلادلفيا، حيث كان على الروبوتات مواجهة تيارات المد والجزر، وأخطاء إشارات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، وانقطاعات الاتصال المتقطعة.

جوهر الحل هو إطار رياضي يعمل بمثابة مجموعة من القواعد غير المرئية للروبوتات. تخيل سطح الماء كمشهد طبيعي حيث يكون التشكيل المطلوب عبارة عن وادٍ والعوائق عبارة عن تلال؛ يتم برمجة الروبوتات لتتدحرج بشكل طبيعي نحو الوادي مع تجنب التلال. ومن الناحية التقنية، تم بناء هذا المشهد الطبيعي بطريقة خاصة تضمن عدم وجود "نقاط صغرى محلية" (local minima) حيث يمكن للروبوتات أن تقع في فخ وتتعثر بعيدًا عن موقعها المطلوب؛ وهو الأمر الذي يمثل العيب الرئيسي والأول في طريقة "المجال الجهدي" (potential field) الكلاسيكية، حيث تنجح هذه الطريقة الجديدة في التغلب عليه. ومع ذلك، كانت للنسخ القياسية من طريقة "المجال الجهدي" هذه عيبان رئيسيان بالنسبة لاستخدام الأنهار: فهي لم تأخذ في الاعتبار الحدود الفيزيائية للقوارب، مثل مدى ضيق قدرتها على الدوران أو بطء سرعتها، ولم تمنع الروبوتات من الانجراف نحو ضفاف النهر. ولإصلاح ذلك، أدخل الباحثون بعض التعديلات الذكية؛ فقد أضافوا روبوتات "افتراضية" تعمل كحراس لحدود النهر، مما يضمن بقاء القوارب الحقيقية ضمن حدود آمنة. كما قاموا بتنعيم إشارات التحكم لمنع اهتزاز الدفات، مما قد يؤدي إلى تلف الأجهزة. وأخيرًا، أضافوا استراتيجية استشرافية تخطط لمسار قصير مسبقًا، مما يسمح للقارب بالتنقل حول قيود دورانه حتى عندما يبدو المسار المثالي مستحيلاً.

في تجارب البحيرة، نجحت الروبوتات الأربعة في تشكيل خط مستقيم بزاوية 45 درجة، مع الحفاظ على مسافة 10 أمتار بينها. تحركت الروبوتات بسلاسة، متجنبة عوامة وضعت في الماء، وبقيت بعيدة عن خط الشاطئ، حتى مع دفع الرياح وحركة المياه الطفيفة لها. أثبت النظام أنه قوي بما يكفي للتعامل مع حقيقة أن القوارب الحقيقية لا يمكنها التوقف فورًا أو الدوران في مكانها؛ فعندما كان المسار المثالي مسدودًا بسبب قيد الدوران، وجدت الروبوتات مسارًا بديلًا ممكنًا وصححت مسارها في اللحظة التالية. أظهرت البيانات أن المسافة بين أي روبوتين لم تنخفض أبدًا إلى الصفر، مما أكد نجاح تجنب الاصطدامات، كما تجمعت المجموعة باستمرار على الشكل المطلوب.

جاء الاختبار الحقيقي في نهر ديلاوير، حيث كانت الظروف أقل تسامحًا بكثير. يبلغ عرض النهر حوالي 2,250 قدمًا، ويبلغ متوسط سرعة التيار 1.3 قدم في الثانية. نشر الفريق الروبوتات من رصيف ميناء، تاركين إياها تنجرف وتناور لتشكيل خط يمتد عبر جزء كبير من النهر. خلال إحدى التجارب، تم ضبط التشكيل ليمتد عبر عرض النهر بالكامل، مع مسافة تقارب 400 قدم بين الروبوتات. وضع هذا الإعداد حدود نطاق الاتصال اللاسلكي. وفي لحظة ما، فقد الروبوت الأبعد عن الشاطف الاتصال بمركز التحكم المركزي لعدة ثوانٍ. تعامل النظام مع هذا الأمر بسلاسة: حيث توقف الروبوت المنقطع عن الحركة وانتظر، بينما استمرت الروبوتات الأخرى في تعديل مواضعها. وبمجرد استعادة الاتصال، استأنف الروبوت مكانه، وتجمعت الأسطول بأكمله في التشكيل الصحيح دون اصطدام أو ضياع.

في تجربة نهرية ثانية، عدل الفريق التشكيل ليكون أكثر ضيقًا، حيث قلل المسافة إلى حوالي 200 قدم لإبقاء جميع الروبوتات ضمن نطاق اتصال أكثر موثوقية. أدت هذا التغيير إلى مسارات أكثر سلاسة وعدم حدوث أي فقدان في الاتصال، مما أظهر أن النظام مرن بما يكفي للتكيف مع الاحتياجات التشغيلية المختلفة ببساطة عن طريق تغيير المسافة المطلوبة بين القوارب. خلال كلتا التجربتين في النهر، نجحت الروبوتات في التنقل حول القوارب الأخرى وحافظت على تشكيلها رغم الدفع غير المتوقع للمد والجزر وعدم دقة نظام تحديد المواقع (GPS) العرضية. تؤكد النتائج أنه من الممكن التحكم في أسطول من القوارب ذاتية القيادة في بيئة نهرية ديناميكية ومحصورة دون محاربة التيار، بشرط أن يأخذ نظام التحكم في الاعتبار الواقع الفيزيائي للآلات وقيود اتصالاتها.

يعمل هذا العمل على سد الفجوة بين خوارزميات التحكم النظرية والواقع الفعلي للروبوتات الميدانية. ومن خلال إثبات أن هذه الأساليب تعمل على أجهزة حقيقية في نهر حقيقي، أظهر الباحثون مسارًا قابلًا للتطبيق لنشر أساطيل الاستشعار لمراقبة جودة المياه في المصبات والمناطق الساحلية. إن القدرة على ترك الأسطول ينجرف مع التيار مع الحفاظ على شكل نسبي دقيق تعني أن هذه المجموعات الروبوتية يمكنها العمل لفترات أطول وتغطية مساحات أكبر بطاقة أقل. سيركز العمل المستقبلي على إزالة الحاجة إلى مركز تحكم مركزي، مما يسمح للروبوتات بالتواصل مباشرة مع بعضها البعض، وهو ما سيجعل النظام أكثر قوة لمهام المياه المفتوحة. في الوقت الحالي، تقف التجارب الناجحة في نهر ديلاوير كدليل ملموس على أنه يمكن الوثوق بالأساطيل ذاتية القيادة للعمل معًا في المياه البرية غير المتوقعة للعالم الطبيعي.