كشف معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا عن خوارزمية متقدمة لمنع الطائرات بدون طيار من الاصطدام في الجو
ينشئ الباحثون نظامًا لتخطيط المسار يمكّن الطائرات بدون طيار من العمل معًا في نفس المجال الجوي لاختيار مسار آمن دائمًا.
عندما تعمل عدة طائرات بدون طيار معًا في نفس المجال الجوي، ربما يتم رش المبيدات الحشرية فوق حقل من الذرة، فهناك خطر قد يصطدمون ببعضهم البعض.
للمساعدة في تجنب هذه الحوادث المكلفة، قدم باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا نظامًا يسمى MADER في عام 2020. يتيح مخطط المسار متعدد العوامل هذا لمجموعة من الطائرات بدون طيار صياغة مسارات مثالية خالية من الاصطدامات. يبث كل عميل مساره حتى يعرف زملاؤه من الطائرات بدون طيار إلى أين يخطط للذهاب. ثم يأخذ الوكلاء في الاعتبار مسارات بعضهم البعض عند تحسين مساراتهم لضمان عدم الاصطدام.
ولكن عندما اختبر الفريق النظام على طائرات بدون طيار حقيقية، وجدوا أنه إذا لم يكن لدى الطائرة بدون طيار معلومات محدثة عن مسارات شركائها، فقد تختار عن غير قصد مسارًا يؤدي إلى حدوث تصادم. قام الباحثون بتجديد نظامهم وهم الآن بصدد طرح برنامج Robust MADER، وهو مخطط مسارات متعدد العوامل يولد مسارات خالية من الاصطدامات حتى عندما تتأخر الاتصالات بين العملاء.
“عملت MADER بشكل رائع في عمليات المحاكاة، لكن لم يتم اختبارها في الأجهزة. لذلك، قمنا ببناء مجموعة من الطائرات بدون طيار وبدأنا في تحليقها. تحتاج الطائرات بدون طيار إلى التحدث مع بعضها البعض لمشاركة المسارات، ولكن بمجرد أن تبدأ في الطيران، ستدرك بسرعة كبيرة أن هناك دائمًا تأخيرات في الاتصال تؤدي إلى بعض الإخفاقات “، كما تقول كوتا كوندو ، طالبة الدراسات العليا في علوم الطيران والملاحة الفضائية
عندما تعمل عدة طائرات بدون طيار معًا في نفس المجال الجوي، فهناك خطر قد يصطدمون. لكن الآن ابتكر باحثو AeroAstro نظامًا لتخطيط المسار يمكّن الطائرات بدون طيار في نفس المجال الجوي من اختيار مسار آمن دائمًا. الائتمان: بإذن من الباحثين
تتضمن الخوارزمية خطوة فحص التأخير تنتظر خلالها الطائرة بدون طيار فترة زمنية محددة قبل أن تلتزم بمسار جديد ومحسّن. إذا تلقت معلومات مسار إضافية من زملائها من الطائرات بدون طيار خلال فترة التأخير، فقد تتخلى عن مسارها الجديد وتبدأ عملية التحسين مرة أخرى.
عندما اختبر كوندو وزملاؤه نظام Robust MADER، في كل من عمليات المحاكاة وتجارب الطيران باستخدام طائرات حقيقية بدون طيار، حقق معدل نجاح بنسبة 100٪ في إنشاء مسارات خالية من الاصطدامات. في حين أن وقت سفر الطائرات بدون طيار كان أبطأ قليلاً مما سيكون عليه في بعض الأساليب الأخرى، لا توجد خطوط أساسية أخرى يمكن أن تضمن السلامة.
“إذا كنت تريد أن تطير بأمان أكثر، عليك أن تكون حذرًا، لذا فمن المعقول أنك إذا كنت لا تريد الاصطدام بعائق ما، فسوف يستغرق الأمر مزيدًا من الوقت للوصول إلى وجهتك. إذا اصطدمت بشيء ما، مهما كانت سرعتك، فلا يهم حقًا لأنك لن تصل إلى وجهتك، “يقول كوندو.
كتب كوندو الورقة مع جيسوس تورديسيلاس ، باحث ما بعد الدكتوراة. باركر سي. لاسك، طالب دراسات عليا؛ رينالدو فيغيروا، وخوان راشد، وجوزيف ميركل، الطلاب الجامعيين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا؛ وكبير المؤلفين جوناثان بي. How ، أستاذ ريتشارد سي ماكلورين للملاحة الجوية والملاحة الفضائية، والباحث الرئيسي في مختبر نظم المعلومات واتخاذ القرار (LIDS)، وعضو في MIT-IBM Watson AI Lab. سيتم تقديم البحث في المؤتمر الدولي حول الروبوتات والأتمتة.
مسارات التخطيط
MADER هو مخطط مسار غير متزامن ولا مركزي ومتعدد الوكلاء. هذا يعني أن كل طائرة بدون طيار تصوغ مسارها الخاص، وأنه بينما يجب أن يتفق جميع العملاء على كل مسار جديد، فإنهم لا يحتاجون إلى الاتفاق في نفس الوقت. وهذا يجعل MADER أكثر قابلية للتطوير من الأساليب الأخرى، حيث سيكون من الصعب جدًا على آلاف الطائرات بدون طيار الاتفاق على مسار في وقت واحد. نظرًا لطبيعته اللامركزية، سيعمل النظام أيضًا بشكل أفضل في بيئات العالم الحقيقي حيث قد تطير الطائرات بدون طيار بعيدًا عن الكمبيوتر المركزي.
مع MADER، تعمل كل طائرة بدون طيار على تحسين مسار جديد باستخدام خوارزمية تتضمن المسارات التي تلقتها من وكلاء آخرين. من خلال التحسين المستمر لمساراتها الجديدة وبثها، تتجنب الطائرات بدون طيار الاصطدامات.
لكن ربما شارك أحد الوكلاء مساره الجديد منذ عدة ثوانٍ، لكن وكيلًا زميلًا لم يتلقه على الفور لأن الاتصال تأخر. في بيئات العالم الحقيقي، غالبًا ما تتأخر الإشارات بسبب التداخل من الأجهزة الأخرى أو العوامل البيئية مثل الطقس العاصف. بسبب هذا التأخير الذي لا مفر منه، قد تلتزم طائرة بدون طيار عن غير قصد بمسار جديد يضعها في مسار تصادم.
يمنع نظام MADER القوي مثل هذه الاصطدامات لأن لكل وكيل مساران متاحان. إنه يحتفظ بمسار واحد يعرف أنه آمن، وقد فحصه بالفعل بحثًا عن الاصطدامات المحتملة. أثناء اتباع هذا المسار الأصلي، تعمل الطائرة بدون طيار على تحسين مسار جديد ولكنها لا تلتزم بالمسار الجديد حتى تكمل خطوة فحص التأخير.
خلال فترة فحص التأخير، تقضي الطائرة بدون طيار فترة زمنية ثابتة في البحث بشكل متكرر عن اتصالات من وكلاء آخرين لمعرفة ما إذا كان مسارها الجديد آمنًا. إذا اكتشف تصادمًا محتملاً، فإنه يتخلى عن المسار الجديد ويبدأ عملية التحسين مرة أخرى.
يقول كوندو إن طول فترة فحص التأخير يعتمد على المسافة بين العوامل والعوامل البيئية التي يمكن أن تعيق الاتصالات. إذا كان الوكلاء على بعد أميال عديدة، على سبيل المثال، فإن فترة فحص التأخير يجب أن تكون أطول.
تماما خالية من الاصطدام
اختبر الباحثون نهجهم الجديد من خلال تشغيل مئات من عمليات المحاكاة التي أدخلوا فيها بشكل مصطنع تأخيرات في الاتصال. في كل محاكاة، كان Robust MADER ناجحًا بنسبة 100٪ في إنشاء مسارات خالية من الاصطدامات، بينما تسببت جميع خطوط الأساس في حدوث أعطال.
قام الباحثون أيضًا ببناء ست طائرات بدون طيار وعائقين جويين واختبروا Robust MADER في بيئة طيران متعددة الوكلاء. وجدوا أنه في حين أن استخدام الإصدار الأصلي من MADER في هذه البيئة كان سيؤدي إلى سبع تصادمات، فإن Robust MADER لم يتسبب في حدوث عطل واحد في أي من تجارب الأجهزة.
“حتى تقوم بالفعل بتشغيل الجهاز، فأنت لا تعرف ما الذي قد يتسبب في حدوث مشكلة. نظرًا لأننا نعلم أن هناك فرقًا بين عمليات المحاكاة والأجهزة، فقد جعلنا الخوارزمية قوية، لذلك عملت في الطائرات بدون طيار الفعلية، ورؤية ذلك عمليًا كان مجزيًا للغاية، “يقول كوندو.
تمكنت الطائرات بدون طيار من الطيران بمعدل 3.4 متر في الثانية باستخدام Robust MADER، على الرغم من أن متوسط وقت السفر لديها أطول قليلاً من بعض خطوط الأساس. لكن لم تكن هناك طريقة أخرى خالية تمامًا من الاصطدامات في كل تجربة.
في المستقبل، يريد Kondo ومعاونوه اختبار Robust MADER في الهواء الطلق، حيث يمكن أن تؤثر العديد من العوائق وأنواع الضوضاء على الاتصالات. يريدون أيضًا تجهيز الطائرات بدون طيار بأجهزة استشعار بصرية حتى يتمكنوا من اكتشاف العوامل أو العوائق الأخرى، والتنبؤ بحركاتهم، وتضمين هذه المعلومات في تحسينات المسار.
المصدر: scitechdaily
قد يهمك:
