MIT ontwikkelt technologie die grote aantallen drones veilig laat samenwerken

De groei van droneshows en autonome systemen benadrukt de uitdagingen bij het veilig coördineren van meerdere drones en robots. In reactie hierop hebben ingenieurs van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) een nieuwe methode ontwikkeld die real-time navigatie zonder vaste paden mogelijk maakt. Deze technologie maakt gebruik van aanpasbare veiligheidszones, waardoor duizenden drones tegelijkertijd veilig kunnen opereren.

Schaalbare veiligheidsoplossingen

Traditionele methoden voor het plannen van veilige trajecten in zogeheten multiagent-systemen vereisen complexe berekeningen waarin de potentiële routes van alle drones in relatie tot elkaar worden geanalyseerd. Dit is niet alleen tijdrovend en rekenintensief, maar biedt ook geen garantie op volledige veiligheid. In droneshows bijvoorbeeld volgen drones bijvoorbeeld vaak vooraf bepaalde routes zonder rekening te houden met onverwachte verstoringen, wat de kans op crashes vergroot.

De MIT-onderzoekers ontwikkelden een alternatief waarbij slechts een klein aantal drones wordt getraind in veilige navigatie, waarna deze kennis schaalbaar wordt toegepast op grotere aantallen drones. In plaats van strikte paden te volgen, berekenen de drones continu hun veiligheidsmarges en passen ze hun trajecten hierop aan. Dit is vergelijkbaar met hoe mensen intuïtief door een drukke omgeving navigeren, zoals in een winkelcentrum, waar alleen de directe omgeving relevant is voor het vermijden van botsingen.

GCBF+: Dynamische veiligheidsnavigatie

Het onderzoek introduceert GCBF+ (Graph Control Barrier Function), een methode om de veiligheid van multiagent-systemen te garanderen. Hierbij worden voor iedere drone veiligheidszones berekend die aangeven binnen welke marges een drone veilig kan bewegen. In tegenstelling tot traditionele barrier-functies, die interacties tussen alle agents in een systeem afzonderlijk berekenen, beperkt MIT’s methode zich tot een kleiner aantal agents, waardoor het systeem efficiënter schaalt naar grotere groepen.

De methode maakt gebruik van het waarnemingsbereik van de drones en simuleert bewegingen op basis van hun mechanische capaciteiten. Een controller berekent veilige routes en minimaliseert overtredingen van de veiligheidsmarges. Doordat de veiligheidszones zich constant aanpassen aan de omgeving, kunnen de drones taken uitvoeren zonder afhankelijk te zijn van een vooraf uitgestippeld pad.

“Onze controller is reactief. We plannen vooraf geen pad uit. De controller verwerkt voortdurend informatie over waar een drone naartoe gaat, wat de snelheid is en hoe snel andere drones bewegen. Op basis van al deze gegevens wordt in real-time een route opgesteld, die continu wordt bijgesteld. Als de situatie verandert, kan het systeem zich altijd aanpassen om veilig te blijven,” aldus Chuchu Fan, associate professor aan MIT.

Succesvolle tests met drones

De onderzoekers testten GCBF+ met acht Crazyflies, kleine quadrotor-drones, door ze tijdens een vlucht van positie te laten wisselen. Zonder de nieuwe methode zouden de drones een directe route kiezen, wat zou resulteren in botsingen. Na training met GCBF+ pasten de drones hun trajecten in real-time aan en bleven ze binnen hun veiligheidszones, waardoor crashes werden voorkomen.

MIT ziet brede toepassingsmogelijkheden voor deze technologie, zoals bij autonome voertuigen, zoek- en reddingsdrones en magazijnrobots. De onderzoekers hopen dat de methode een nieuwe standaard wordt voor veilige navigatie binnen multiagent-systemen.

Vergelijkbaar onderzoek in Nederland

Ook in Nederland wordt onderzoek gedaan naar zelfstandig vliegende drones die hun vliegroutes ad hoc kunnen aanpassen met behulp van algoritmes. Bij de TU Delft werkt universitair hoofddocent Luchtverkeersmanagement Joost Ellerbroek aan algoritmes die ervoor zorgen dat drones autonoom veilige afstanden bewaren. Door middel van simulaties test hij het gedrag van zwermen die uit duizenden drones kunnen bestaan.