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.
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.
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.
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.
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