Un gruppo di ricercatori della Zhejiang University guidato Xin Zhou ha fatto un passo in avanti verso quella realtà descritta da film come Star Wars, Blade Runner o Prometheus dove sistemi aerei multi-robot sono capaci di navigare attraverso grattacieli e navi spaziali. La prova si è svolta in differenti scenari, tra cui una fitta foresta di bambù, dove dei droni a guida autonoma di sono destreggiati in volo.
Droni a guida autonoma: problemi e sfide
Gli studiosi, in un articolo pubblicato su Science Robotics, hanno messo in risalto le caratteristiche e i requisiti richiesti che hanno dovuto tenere in considerazione affinché il loro progetto andasse in porto. Si tratta di aspetti come l’ottenimento della traiettoria ideale, la possibilità di estendere le performance a diversi obiettivi specifici assegnati, il tutto unito alla necessità di svolgere questi compiti in assoluta (ma elevata) economia di calcolo a bordo di dispositivi quanto più piccoli possibile.
La soluzione proposta
Dopo aver cercato tra un certo numero di applicazioni, Xin e i suoi collaboratori hanno capito che la chiave di successo per ottenere il massimo compromesso dei requisiti citati in precedenza è stata pianificare la traiettoria, trajectory planning in inglese. Tale pianificazione non solo permette la modifica della forma del percorso ma regola anche i profili temporali tra i vari droni.
Tutto ciò è stato raggiunto grazie all’adozione di un ben preciso schema di risoluzione. Infatti, attraverso questo algoritmo, i requisiti specifici del compito di generare una traiettoria possono sempre essere formulati come obiettivi da raggiungere: minimizzazione del tempo di volo, massimizzazione della sua regolarità, evitamento degli ostacoli, evitamento reciproco tra i droni, fattibilità della dinamica di volo.
Per la localizzazione dello sciame aereo, ad eccezione del sistema di pianificazione della traiettoria, è stato adottato un sistema che unisce le informazioni provenienti dall’hardware per il rilevamento del movimento con l’analisi computerizzata della scena visibile alla fotocamera dello stesso (VIO, Visual-inertial odometry)
Ogni drone è stato equipaggiato con tutta una serie di sensori dotate di funzionalità complete di percezione, localizzazione, pianificazione e controllo ed è liberamente accoppiato da una rete di trasmissione che condivide le traiettorie.
L’Intuizione dalla natura e i test
Uno sciame di droni, in linea generale, ha un comportamento simile a quello di uno squadrone di insetti o uno stormo di uccelli. Ragionevolmente, il sistema proposto è simile agli uccelli capaci di volare liberamente attraverso la foresta evitando gli ostacoli e le altre creature in movimento. Per esempio, nella navigazione a corto raggio, gli uccelli si affidano principalmente agli occhi e al loro sistema vestibolare (da qui il sistema odometrico visivo-inerziale migliorato, sviluppato da Xin e collaboratori).
Inoltre, gli uccelli regolano il percorso e la velocità simultaneamente per evitare le collisioni considerando il tempo di volo e la fluidità per risparmiare energia. Ecco il perché dell’ottimizzazione congiunta di traiettorie spazio-temporali con obiettivi multipli.
A questo va aggiunto il vantaggio del sistema di comunicazione artificiale wireless ad alta fedeltà alimentato elettricamente per la condivisione della traiettoria e il calcolo ad alta velocità per la pianificazione veloce.
Grazie a tutte queste funzionalità i ricercatori hanno svolto test con successo in quattro situazioni differenti: volo in gruppo attraverso una foresta di bambù, volo in un ambiente affollato, valutazione dell’evitamento con gli altri droni e anche la capacità dello sciame di seguire la guida di una persona qualora la visione di questa fosse offuscata.
Droni a guida autonoma: impieghi e sviluppi futuri
Gli accademici della Zhejiang University hanno lasciato ampio spazio di manovra per chi volesse approfondire ed espandere il progetto dei droni a guida autonoma. La loro speranza è che il loro approccio possa servire in compiti come il soccorso in caso di catastrofe, assistenza in studi biologici oppure per trasporto pronto all’uso per rover e droni che atterrano su Marte e in ultima istanza come uso in traposto collaborativo.
Articolo a cura di Antonio Aversano
