Hollandi droonisepad õpetasid 56-grammise drooni ise lendama – sellest tehti kunstlik putukasilm

56-grammine pisidroon on nagu usin putukas, mis lendab (andmete) korjele ja oskab pärast oma pessa tagasi pöörduda, kulutamata selleks ohtralt arvutusvõimsust. Foto: teadustöö / Delfti Tehnikaülikool

Teadlased meisterdasid valmis imepisikese drooni, mis on sipelgatest inspireeritud ja tehisaru juhitud. Mikroskoopiline lennuvahend suudab iseseisvalt naasta alguspunkti, kasutades odomeetriat ning putukasilmast inspireeritud masinnägemist. Taoline «silmamuna» võib ringi luurates jääda üsna nähtamatuks.

Autonoomne navigeerimissüsteem väikestele ja kergetele droonidele sai inspiratsiooni putukate navigeerimise strateegiatest. Delfti tehnikaülikooli meeskond ammutas motivatsiooni bioloogilistest avastustest, kuidas näiteks sipelgad kasutavad oma nägemisvõimet ja isegi sammulugemist, et ohutult koju naasta.

Inseneride sõnul võivad robotid selle meetodi abil läbida pikki vahemaid ja jõuda koju tagasi üsna minimaalse arvutusvõimsuse ja mälumahuga (0,65 kilobaiti saja meetri kohta).

Putukatest inspireeritud «hetketõmmisega» navigeerimine

Väikesed, kümnest kuni mõnesaja grammini kaaluvad robotid omavad suurt potentsiaali reaalse maailma rakendustes. Nende kerge kaal tagab ohutuse isegi kokkupõrgete korral ning väike suurus võimaldab liikuda kitsastes kohtades.

Kui neid saab ka väga odavalt toota, võib neid suurel hulgal kasutada suurte alade katmiseks, näiteks kasvuhoonetes varajase kahjuritõrje tegemiseks või haiguste avastamiseks.

Autonoomne tegutsemine on siiski üsna keeruline, kuna ressursid on piiratud, võrreldes suuremate droonidega. Navigeerimine on olnud seni eriti probleemne. Kuigi GPS võib aidata välitingimustes hästi asukohta määrata, on see ebatõhus siseruumides ja ebatäpne kitsastes käikudes. Siseruumidesse saab küll paigutada traadita võrku kasutavad raadiomajakad, kuid need on on kallid ja ebapraktilised näiteks otsingu- ja päästetöödel.

Rasked kaamerad ja lidarid pisirobotile ei mahu

Enamik autonoomse navigeerimise tehisintellekti lahendusi on mõeldud suurtele robotitele, kasutades raskeid ja energiakulukaid sensoreid, nagu lidar, mis pole sobilikud väikeste masinate jaoks. Nägemispõhised lähenemised on küll energiatõhusad, kuid nõuavad detailsete 3D-kaartide loomist, mis vajab väga suurt töötlemisvõimsust ja mälu, ületades väikeste robotite võimekuse.

Teadlased pöördusid tagasi looduse poole ja ammutasid inspiratsiooni putukatelt, kasutades minimaalsete ressurssidega navigeerimiseks just nende strateegiaid.

Putukad kombineerivad odomeetriat (liikumise jälgimine) visuaalselt juhitud käitumisega (vaate mälu).

Selline näeb välja isenavigeeriv putukrobot võrrelduna üheeurose mündi suurusega. Foto: teadustöö / Delfti tehnikaülikool

«Hetketõmmise» mudelis teevad putukad ja ka sipelgad perioodiliselt oma ümbrusest hetkelisi «klõpse», jäädvustades ümbruse pildile. Sellise hetketõmmise läheduses võrreldakse seda vaatepilti varasemate hetkedega, vähendades erinevusi täpseks tagasipöördumiseks ja kasutades odomeetriat hälvete parandamiseks.

Droonid saavad siseruumides navigeerimisega hakkama ka vähese mäluga

Delfti tehnikaülikooli meeskond muutis varem välja töötatud tehnikaid, et arendada bioloogiast inspireeritud lähenemist. See strateegia kombineerib nägemise järgi suunamist, mis juhib orientatsiooni pildivihjete põhjal, odomeetriaga, mis mõõdab teatud suunas läbitud vahemaid.

Teadlased katsetasid oma meetodit mitmetes siseruumitingimustes, kasutades 56-grammist drooni Crazyflie Brushless, millel oli panoraamkaamera, mikrokontroller ja 192 kB mälu.

Nii navigeeris droon laboris. Foto: teadustöö / Delfti tehnikaülikool

Algselt startis droon ja lendas sihtkoha suunas, peatudes perioodiliselt, et oma ümbrusest pilte teha. Lennumasin kasutas visuaalset suunamist, et liikuda sama teed pidi tagasi, tehes regulaarselt kursiparandusi ning võrreldes oma praegust asukohta vahepunktide fotodega.

Lähenemine oli uskumatult mälutõhus tänu piltide kõrgele kokkupakkimisele ja täpsele vahemaa määramisele. Kogu pilditöötlemine toimus pisikesel pardaarvutil, mida kutsutakse mikrokontrolleriks ja mida võib leida paljudest odavatest elektroonikaseadmetest.

Kasulik põllumajanduses või laos

Teadlaste meeskonna sõnul on pakutud strateegia vähem paindlik, kui suurte robotite tipptasemel meetodid, kuna puudub mahukat ressurssi nõudev kaardistamisvõimekus, aga see lubab ikkagi naasta alguspunkti, mis on piisav paljudeks rakendusteks.

Droonid võivad näiteks lennata välja nagu putukad, koguda andmeid ja naasta «pessa» selliste praktiliste rakenduste jaoks, nagu põllukultuuride seire kasvuhoonetes ja laoseisude jälgimine.

Eesmärgipäraseid olulisi pilte saab salvestada väikesele SD-kaardile ja töödelda hiljem serveris. Lihtsaks navigeerimiseks pole aga seegi vajalik.

Teadlaste uuringu üksikasjad avaldati ajakirjas Science Robotics.