MIT tiết lộ thuật toán tiên tiến để ngăn máy bay không người lái va chạm giữa không trung
Các nhà nghiên cứu của MIT đã phát triển Robust MADER, một hệ thống lập kế hoạch quỹ đạo đa tác nhân cập nhật giúp ngăn va chạm với máy bay không người lái bằng cách tạo quỹ đạo không va chạm ngay cả khi liên lạc giữa các máy bay không người lái bị trì hoãn. Thuật toán kết hợp một bước kiểm tra độ trễ, trong đó máy bay không người lái đợi một khoảng thời gian cụ thể trước khi thực hiện một quỹ đạo mới, được tối ưu hóa. Khi được thử nghiệm trong các mô phỏng và thử nghiệm chuyến bay, Robust MADER đã đạt được tỷ lệ thành công 100% trong việc tạo quỹ đạo không va chạm, cung cấp một cách tiếp cận an toàn hơn để phối hợp nhiều máy bay không người lái trong cùng một vùng trời.
Các nhà nghiên cứu tạo ra một hệ thống lập kế hoạch quỹ đạo cho phép các máy bay không người lái hoạt động cùng nhau trong cùng một vùng trời để luôn chọn con đường an toàn về phía trước.
Khi nhiều máy bay không người lái hoạt động cùng nhau trong cùng một vùng trời, có thể là phun thuốc trừ sâu trên một cánh đồng ngô, sẽ có nguy cơ chúng đâm vào nhau.
Để giúp tránh những sự cố tốn kém này, các nhà nghiên cứu của MIT đã giới thiệu một hệ thống có tên MADER vào năm 2020. Công cụ lập kế hoạch quỹ đạo đa tác nhân này cho phép một nhóm máy bay không người lái xây dựng quỹ đạo tối ưu, không va chạm. Mỗi tác nhân phát sóng quỹ đạo của nó để các máy bay không người lái khác biết nó đang định đi đâu. Sau đó, các nhân viên sẽ xem xét quỹ đạo của nhau khi tối ưu hóa quỹ đạo của họ để đảm bảo họ không xung đột.
Nhưng khi nhóm thử nghiệm hệ thống này trên máy bay không người lái thực, họ phát hiện ra rằng nếu máy bay không người lái không có thông tin cập nhật về quỹ đạo của các đối tác, thì nó có thể vô tình chọn đường dẫn đến va chạm. Các nhà nghiên cứu đã cải tiến hệ thống của họ và hiện đang triển khai Robust MADER, một công cụ lập kế hoạch quỹ đạo đa tác nhân tạo ra các quỹ đạo không va chạm ngay cả khi liên lạc giữa các tác nhân bị trì hoãn.
“MADER hoạt động rất tốt trong các mô phỏng, nhưng nó chưa được thử nghiệm trên phần cứng. Vì vậy, chúng tôi đã chế tạo một loạt máy bay không người lái và bắt đầu cho chúng bay. Các máy bay không người lái cần nói chuyện với nhau để chia sẻ quỹ đạo, nhưng một khi bạn bắt đầu bay, bạn sẽ nhanh chóng nhận ra rằng luôn có sự chậm trễ trong liên lạc dẫn đến một số lỗi,” Kota Kondo, một sinh viên tốt nghiệp ngành hàng không và du hành vũ trụ cho biết.
Nhiều máy bay không người lái làm việc cùng nhau
Khi nhiều máy bay không người lái hoạt động cùng nhau trong cùng một vùng trời, sẽ có nguy cơ chúng va chạm với nhau. Nhưng giờ đây, các nhà nghiên cứu của AeroAstro đã tạo ra một hệ thống lập kế hoạch quỹ đạo cho phép máy bay không người lái trong cùng một vùng trời luôn chọn con đường an toàn về phía trước. Tín dụng: Lịch sự của các nhà nghiên cứu
Thuật toán kết hợp một bước kiểm tra độ trễ, trong đó máy bay không người lái đợi một khoảng thời gian cụ thể trước khi chuyển sang một quỹ đạo mới, được tối ưu hóa. Nếu nó nhận được thông tin quỹ đạo bổ sung từ các máy bay không người lái khác trong khoảng thời gian trễ, nó có thể từ bỏ quỹ đạo mới và bắt đầu lại quá trình tối ưu hóa.
Khi Kondo và các cộng tác viên của ông thử nghiệm Robust MADER, cả trong mô phỏng và thử nghiệm chuyến bay với máy bay không người lái thực, nó đã đạt được tỷ lệ thành công 100% trong việc tạo ra các quỹ đạo không va chạm. Mặc dù thời gian di chuyển của máy bay không người lái chậm hơn một chút so với một số cách tiếp cận khác, nhưng không có đường cơ sở nào khác có thể đảm bảo an toàn.
“Muốn bay an toàn hơn thì phải cẩn thận, như vậy là hợp lý nếu không muốn va phải chướng ngại vật, mất nhiều thời gian hơn để về đích. Nếu bạn va chạm với thứ gì đó, thì dù bạn có đi nhanh đến đâu, điều đó không thực sự quan trọng vì bạn sẽ không đến đích,” Kondo nói.
Kondo đã viết bài báo với Jesus Tordesillas, một postdoc; Parker C. Lusk, một sinh viên mới tốt nghiệp; Reinaldo Figueroa, Juan Rached, và Joseph Merkel, sinh viên đại học MIT; và tác giả cao cấp Jonathan P. How, Giáo sư Hàng không và Du hành vũ trụ Richard C. Maclaurin, điều tra viên chính trong Phòng thí nghiệm Hệ thống Quyết định và Thông tin (LIDS), đồng thời là thành viên của Phòng thí nghiệm AI Watson của MIT-IBM. Nghiên cứu sẽ được trình bày tại Hội nghị Quốc tế về Robot và Tự động hóa.
Lập kế hoạch quỹ đạo
MADER là một công cụ lập kế hoạch quỹ đạo đa tác nhân, phi tập trung, không đồng bộ. Điều này có nghĩa là mỗi máy bay không người lái hình thành quỹ đạo của riêng mình và trong khi tất cả các tác nhân phải đồng ý về từng quỹ đạo mới, họ không cần phải đồng ý cùng một lúc. Điều này làm cho MADER có khả năng mở rộng hơn so với các phương pháp khác, vì hàng nghìn máy bay không người lái sẽ rất khó đồng thời đồng ý về một quỹ đạo. Do tính chất phi tập trung của nó, hệ thống cũng sẽ hoạt động tốt hơn trong môi trường thế giới thực, nơi máy bay không người lái có thể bay xa máy tính trung tâm.
Với MADER, mỗi máy bay không người lái tối ưu hóa quỹ đạo mới bằng cách sử dụng thuật toán kết hợp quỹ đạo mà nó nhận được từ các tác nhân khác. Bằng cách liên tục tối ưu hóa và phát quỹ đạo mới của chúng, máy bay không người lái tránh va chạm.
Nhưng có lẽ một đặc vụ đã chia sẻ quỹ đạo mới của nó vài giây trước, nhưng một đặc vụ khác không nhận được.
nó ngay lập tức vì liên lạc bị trì hoãn. Trong môi trường thế giới thực, tín hiệu thường bị trễ do nhiễu từ các thiết bị khác hoặc các yếu tố môi trường như thời tiết bão tố. Do sự chậm trễ không thể tránh khỏi này, một máy bay không người lái có thể vô tình chuyển sang một quỹ đạo mới khiến nó rơi vào hướng va chạm.
MADER mạnh mẽ ngăn chặn các xung đột như vậy vì mỗi tác nhân có sẵn hai quỹ đạo. Nó giữ một quỹ đạo mà nó biết là an toàn, nó đã kiểm tra các va chạm tiềm ẩn. Trong khi đi theo quỹ đạo ban đầu đó, máy bay không người lái sẽ tối ưu hóa quỹ đạo mới nhưng không cam kết với quỹ đạo mới cho đến khi nó hoàn thành bước kiểm tra độ trễ.
Trong khoảng thời gian kiểm tra độ trễ, máy bay không người lái dành một khoảng thời gian cố định để liên tục kiểm tra thông tin liên lạc từ các tác nhân khác để xem liệu quỹ đạo mới của nó có an toàn hay không. Nếu nó phát hiện ra một vụ va chạm tiềm ẩn, nó sẽ từ bỏ quỹ đạo mới và bắt đầu lại quá trình tối ưu hóa.
Kondo cho biết độ dài của khoảng thời gian kiểm tra độ trễ phụ thuộc vào khoảng cách giữa các tác nhân và các yếu tố môi trường có thể cản trở quá trình liên lạc. Ví dụ, nếu các đại lý cách xa nhau nhiều dặm, thì thời gian kiểm tra độ trễ sẽ cần phải dài hơn.
Hoàn toàn không va chạm
Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm phương pháp mới của họ bằng cách chạy hàng trăm mô phỏng trong đó họ đưa ra độ trễ giao tiếp một cách giả tạo. Trong mỗi mô phỏng, Robust MADER đã thành công 100% trong việc tạo quỹ đạo không va chạm, trong khi tất cả các đường cơ sở đều gây ra va chạm.
Các nhà nghiên cứu cũng đã chế tạo sáu máy bay không người lái và hai chướng ngại vật trên không, đồng thời thử nghiệm Robust MADER trong môi trường bay đa tác nhân. Họ nhận thấy rằng, mặc dù sử dụng phiên bản gốc của MADER trong môi trường này sẽ dẫn đến bảy lần va chạm, nhưng MADER mạnh mẽ đã không gây ra một sự cố nào trong bất kỳ thử nghiệm phần cứng nào.
“Cho đến khi bạn thực sự vận hành phần cứng, bạn sẽ không biết điều gì có thể gây ra sự cố. Bởi vì chúng tôi biết rằng có sự khác biệt giữa mô phỏng và phần cứng, nên chúng tôi đã tạo ra thuật toán mạnh mẽ để nó hoạt động trong máy bay không người lái thực tế và thấy rằng trong thực tế, điều đó rất bổ ích,” Kondo nói.
Máy bay không người lái có thể bay 3,4 mét mỗi giây với Robust MADER, mặc dù chúng có thời gian di chuyển trung bình lâu hơn một chút so với một số đường cơ sở. Nhưng không có phương pháp nào khác hoàn toàn không có va chạm trong mọi thí nghiệm.
Trong tương lai, Kondo và các cộng tác viên của anh ấy muốn thử nghiệm Robust MADER ngoài trời, nơi có nhiều chướng ngại vật và các loại tiếng ồn có thể ảnh hưởng đến thông tin liên lạc. Họ cũng muốn trang bị cho máy bay không người lái các cảm biến hình ảnh để chúng có thể phát hiện các tác nhân hoặc chướng ngại vật khác, dự đoán chuyển động của chúng và đưa thông tin đó vào quá trình tối ưu hóa quỹ đạo.
Tham khảo: “MADER mạnh mẽ: Công cụ lập kế hoạch quỹ đạo đa tác nhân phi tập trung mạnh mẽ đối với độ trễ giao tiếp trong môi trường động” của Kota Kondo, Reinaldo Figueroa, Juan Rached, Jesus Tordesillas, Parker C. Lusk và Jonathan P. How, ngày 10 tháng 3 năm 2023, Khoa học máy tính > Người máy.
arXiv:2303.06222
Công việc này được hỗ trợ bởi Công ty Nghiên cứu và Công nghệ Boeing.
