В 2020 году исследователи Массачусетского технологического института представили MADER – систему, предназначенную для предотвращения столкновений между беспилотниками, занимающими одно и то же воздушное пространство.
Мультиагентный планировщик траектории позволяет группе дронов формировать траектории, чтобы избежать столкновения, при этом каждый дрон сообщает о своей траектории и, в свою очередь, учитывает траектории своих собратьев при определении курса.
MADER – это асинхронный, децентрализованный, мультиагентный планировщик траекторий. Каждый дрон генерирует свою собственную траекторию, и хотя каждый агент должен согласовывать каждую новую траекторию, они не должны согласовывать ее одновременно. Этот метод делает систему MADER более масштабируемой, чем альтернативные решения, из-за значительных трудностей с одновременным согласованием траектории большим количеством дронов.
Однако тестирование системы на реальных дронах показало, что дрон, не имеющий актуальной информации о траекториях своих партнеров, может стать причиной столкновений. Это привело исследователей к разработке обновленного Robust MADER, мультиагентного планировщика траекторий, формулирующего траектории без столкновений даже при задержке связи между дронами.
“MADER отлично работал в симуляторах, но он не был протестирован в аппаратных условиях. Поэтому мы построили кучу дронов и начали на них летать”, – говорит Кота Кондо, аспирант кафедры аэронавтики и астронавтики. “Дроны должны общаться друг с другом, чтобы обмениваться траекториями, но как только вы начинаете летать, вы довольно быстро понимаете, что всегда есть задержки связи, которые вносят некоторые сбои”.
В алгоритм новой системы введен этап проверки задержки, на котором дрон ждет определенное время, прежде чем следовать по новой траектории. Получение дополнительной информации о траектории в период задержки может заставить его отказаться от запланированной траектории и начать все сначала, если это необходимо. По словам Кондо, продолжительность периода проверки задержки зависит от расстояния между дронами и факторов окружающей среды, которые могут помешать связи.
Robust MADER достигла 100-процентного успеха в создании траекторий, свободных от столкновений, как в симуляциях, так и с реальными беспилотниками. Хотя эта новая система привела к незначительному замедлению времени полета, это был единственный метод, который гарантировал безопасность.
“Если вы хотите летать безопаснее, вы должны быть осторожны, поэтому вполне разумно, что если вы не хотите столкнуться с препятствием, вам потребуется больше времени, чтобы добраться до места назначения. Если вы столкнетесь с чем-то, неважно, насколько быстро вы летите, это не имеет значения, потому что вы не достигнете пункта назначения”, – говорит Кондо.
Чтобы проверить новое решение, команда исследователей провела сотни симуляций, в которых они искусственно вводили задержки связи. Во всех этих симуляциях Robust MADER на 100% успешно сформулировал траектории без столкновений, в то время как все тесты, проведенные с использованием его предшественника, наоборот, привели к столкновениям.
Исследователи дополнительно создали шесть дронов и два воздушных препятствия, тестируя Robust MADER в многоагентной среде полета. Результаты этих испытаний показали, что если использование оригинальной версии MADER в этой среде привело бы в общей сложности к семи столкновениям, то Robust MADER не привел ни к одной аварии во время экспериментов с оборудованием.
“Пока вы не полетаете на аппаратуре, вы не знаете, что может вызвать проблему. Поскольку мы знаем, что существует разница между симуляцией и аппаратурой, мы сделали алгоритм надежным, чтобы он работал на реальных дронах, и увидеть это на практике было очень полезно”, – сказал Кондо.
Дроны, использующие Robust MADER, могли летать со скоростью 3,4 метра в секунду, хотя и с несколько большим средним временем полета, чем некоторые базовые модели. Тем не менее, Robust MADER оказался единственным методом, который полностью исключил столкновения на протяжении всех экспериментов.
В дальнейшем Кондо и его коллеги намерены испытать Robust MADER на открытом воздухе, где широкий спектр препятствий и источников шума может помешать связи. Исследовательская группа также надеется оснастить дроны визуальными датчиками, которые позволят им обнаруживать других агентов или препятствия, прогнозировать их движение и учитывать эту информацию при оптимизации траектории.