De natuur helpt een zwerm van drones een gaslek vinden

Drone

Een zwerm drones kan geheel zelfstandig een gaslek in een gebouw vinden. Met onderlinge communicatie en minimale rekenkracht sturen zij elkaar naar de juiste plek.

De zoektocht begint door de drones in verschillende richtingen een ruimte in te sturen. ‘Het model dat we daarna gebruiken is gebaseerd op Particle Swarm Optimization, een rekenmethode voor de manier waarop vogels in een zwerm voedsel zoeken’, zegt Guido de Croon, hoogleraar bij het Micro Air Vehicle laboratory van de TU Delft. ‘Een drone die als eerste met zijn sensor gas ruikt, geeft dat door. De andere drones gaan daarna samen zoeken tot ze zoveel mogelijk gas ruiken. Daarmee vinden ze de bron.’

De drones kunnen gezamenlijk naar de bron toevliegen, omdat ze zelfstandig kunnen vliegen én van elkaar weten waar ze zich ten opzichte van elkaar bevinden. Zelfstandig vliegen en landen kunnen drones door net als insecten gebruik te maken van optische flow, de verhouding tussen snelheid en afstand, een onderwerp waar De Croon eerder onderzoek naar deed.

Voor de onderlinge coördinatie is het elektronicabord uitgerust met een Ultra-Wideband communicatiechip, waarmee de drones de onderlinge afstand kunnen meten. ‘Dat kan dan nog in een cirkel om de drone heen zijn. De drones geven daarom ook andere gegevens door: richting en snelheid. Door die informatie te integreren met de veranderende onderlinge afstand kunnen de drones heel nauwkeurig meten waar de ander is.’

‘Wat kan gebeuren in een complexe omgeving is dat een drone in een hoek een soort opstopping van gasmoleculen ruikt en denkt dat daar het gaslek is. Het mooie een zwerm is dat andere drones meten dat elders de concentratie gas nog hoger is. Drones moeten daarom altijd blijven verkennen en optimaliseren. Hoe groter de zwerm, hoe kleiner dan ook de kans dat ze in een lokaal maximum blijven hangen.’

De drones hebben allerlei parameters meegekregen, bijvoorbeeld de minimale afstand die ze ten opzichte van de muur moeten houden: door die afstand kleiner te houden vinden de drones het gaslek mogelijk sneller, of crashen ze eerder tegen die muur. De juiste parameters zijn uiteindelijk gevonden door in een simulatie op een evolutionaire wijze verschillende waarden uit te proberen; als het resultaat beter was, werd de nieuwe waarde behouden.

Drones op zoek naar gaslek

‘In de echte wereld deden de geëvolueerde waarden het nog beter dan we zelf bedacht hebben. Dat evolutie zou werken, hadden we wel bedacht. Waar we twijfels over hadden, is dat dit een complex probleem is en dat de simulatie niet goed genoeg zou zijn’, zegt De Croon.

Met deze aanpak zijn geen diepe neurale netwerken nodig, stelt De Croon. ‘De drones doen alles helemaal zelf, ook al hebben ze extreem weinig rekenkracht en vermogen. Onze drones hebben 192KB aan geheugen. Dat is het verschil tussen deze vorm van kunstmatige intelligentie en die van zelfrijdende auto’s. Dat is de inspiratie uit de natuur.’