SwarmNxt: Open-source Software-Hardware Platform for Fast and Agile Aerial Swarms
Dit artikel introduceert SwarmNxt, een open-source software-hardwareplatform gebouwd op de OmniNxt-drone dat een end-to-end toolkit biedt voor autonome luchtzwermen, gevalideerd door middel van real-world experimenten die hoge snelheid decentrale botsingsvermijding en collectieve obstakelbewuste vlucht demonstreren.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Stel je een team van hulpverleners voor dat zich haast naar een ingestort gebouw of een brandend bos. Op deze momenten is tijd de meest schaarse hulpbron, en de omgeving is vaak te gevaarlijk voor mensen om binnen te gaan. Eén enkele robot kan misschien binnenvliegen en rondkijken, maar die kan alleen zien wat er direct voor zich ligt, en als hij crasht, eindigt de missie. Een zwerm daarentegen is een groep kleine vliegende robots die samenwerken als één eenheid. Door uit te waaieren, kunnen ze snel een groot gebied bestrijken, complexe ruimtes in kaart brengen en sneller naar overlevenden zoeken dan welke individuele machine dan ook. De uitdaging is altijd geweest om deze groepen veilig op eigen kracht te laten vliegen. Ze moeten zien waar ze zijn, botsingen met elkaar voorkomen en door obstakels navigeren zonder neer te storten, terwijl ze draaien op de kleine computers die in hun lichaam zijn ingebouwd. Jarenlang hebben onderzoekers geprobeerd een systeem te bouwen dat zowel krachtig genoeg is om zelfstandig na te denken als eenvoudig genoeg om door wetenschappers in grote aantallen te assembleren en te testen.
Een team van onderzoekers heeft nu een volledige oplossing voor dit probleem geïntroduceerd, een open-source platform genaamd SwarmNxt. Dit systeem is niet slechts een enkele drone, maar een volledige toolkit die een onderzoeker begeleidt van het moment dat hij de onderdelen koopt tot het moment dat hij een groep drones in een gecoördineerd patroon ziet vliegen. De hardware is gebaseerd op een specifiek drone-ontwerp bekend als OmniNxt, die klein en lichtgewicht is en is uitgerust met camera's die in alle richtingen tegelijk kunnen kijken. De onderzoekers hebben gedetailleerde, stapsgewijze instructies en videogidsen geleverd, zodat iedereen, zelfs zonder achtergrond in engineering, deze machines kan assembleren. De kosten om er één te bouwen zijn ongeveer de prijs van een high-end laptop, en de assemblage duurt ongeveer vijf uur. Eenmaal gebouwd, ligt de echte innovatie in de software. In plaats van elke drone één voor één in te stellen, wat traag en foutgevoelig zou zijn, heeft het team een systeem ontwikkeld dat een hele vloot drones gelijktijdig kan configureren en updaten. Dit betekent dat als een onderzoeker een nieuw vliegalgoritme wil testen, hij de update in slechts twintig minuten naar zes drones tegelijk kan pushen, in plaats van uren per individueel apparaat te besteden.
Het hart van het systeem is een brein waarmee de drones in realtime beslissingen kunnen nemen. Elke drone draagt een krachtige computer die in staat is om beelden te verwerken om de diepte van de wereld om hen heen te begrijpen. Met behulp van een leergericht systeem kijkt de drone naar paren afbeeldingen van zijn camera's en berekent hoe ver objecten verwijderd zijn, waardoor een 3D-kaart van de omgeving wordt gemaakt. Deze kaart wordt vervolgens gebruikt door een planningssysteem dat de veiligste route bepaalt. Cruciaal is dat de drones niet simpelweg een vooraf geprogrammeerd traject volgen; ze communiceren met elkaar om botsingen te vermijden. Als één drone ziet dat een andere te dichtbij komt, past hij zijn pad onmiddellijk aan. De onderzoekers testten dit systeem in twee verschillende scenario's. In het eerste scenario stuurden ze zes drones in een lege kamer om te zien of ze in een nauwe formatie konden vliegen zonder tegen elkaar aan te botsen. De drones wisselden van positie en bewogen in een grote cirkel, waarbij ze in totaal twee uur lang vlogen zonder een enkele botsing, ondanks incidentele vertragingen in hun draadloze communicatie. In de tweede test verminderden ze de groep tot vier drones en vulden ze de kamer met obstakels. Deze drones moesten hun onboard-camera's gebruiken om de muren en meubels te zien, hun afstand te berekenen en door de rommel te navigeren. Ze vlogen gedurende dertig minuten en vermeden succesvol zowel de obstakels als elkaar.
De resultaten tonen aan dat het systeem betrouwbaar werkt, maar de onderzoekers merken er zorgvuldig bij op dat de huidige beperkingen aanwezig zijn. De drones vliegen het best wanneer ze in een kamer zijn waar hun positie kan worden gevolgd door een extern camerasysteem, dat fungeert als een perfecte gids voor hun locatie. Ze kunnen nog niet op deze manier vliegen in een buitenomgeving zonder GPS. Bovendien leunt het systeem zwaar op de grafische processor van de drone om diepte te berekenen, wat het grootste deel van de computerkracht opeist, waardoor er weinig ruimte overblijft voor andere complexe taken tegelijkertijd. De diepteberekening is ook beperkt in resolutie, wat betekent dat zeer kleine objecten op afstand gemist kunnen worden. Ondanks deze beperkingen vertegenwoordigt het platform een belangrijke stap voorwaarts. Het bewijst dat een groep kleine, betaalbare robots geassembleerd, geprogrammeerd en samen gevlogen kan worden met een hoge mate van autonomie. Door de hardware en software voor iedereen open te stellen, hopen de onderzoekers de barrières weg te nemen die de vooruitgang in dit veld hebben vertraagd, zodat wetenschappers zich kunnen concentreren op het oplossen van de moeilijkere problemen om deze zwermen echt onafhankelijk en klaar voor de echte wereld te maken.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.