[PWC-MEDIA] Persbericht TU Delft: Zwerm autonome kleine drones kan gaslekken lokaliseren

  • From: Sharita Balgobind <U.S.Balgobind@xxxxxxxxxx>
  • To: "pwc-media@xxxxxxxxxxxxx" <pwc-media@xxxxxxxxxxxxx>
  • Date: Wed, 14 Jul 2021 11:24:04 +0000

Zwerm autonome kleine drones kan gaslekken lokaliseren
Bij een gaslek in een groot gebouw of op een industrieterrein moeten 
brandweerlieden nu nog naar binnen met gasdetectie-instrumenten. Het kan 
geruime tijd duren voordat ze het gaslek vinden en ze riskeren hierbij soms hun 
leven. Onderzoekers van de TU Delft, de Universiteit van Barcelona en Harvard 
University hebben nu voor het eerst een zwerm kleine - en dus zeer veilige - 
drones ontwikkeld die autonoom gasbronnen kunnen detecteren en lokaliseren in 
onoverzichtelijke binnenruimten.
De kunstmatige intelligentie voor deze complexe taak vormde de belangrijkste 
uitdaging voor de onderzoekers, aangezien rekenvermogen en geheugen van de 
kleine drones zeer beperkt waren. Ze losten dit probleem op door middel van op 
de natuur geïnspireerde navigatie- en zoekstrategieën. Het wetenschappelijk 
artikel is nu gepubliceerd op de artikelenserver van ArXiv en wordt later dit 
jaar gepresenteerd op de gerenommeerde IROS-roboticaconferentie. Het onderzoek 
vormt een belangrijke stap in de ontwikkeling van intelligentie van kleine 
robots. Het praktisch belang is groot, want gaslekken kunnen hiermee 
efficiënter worden gevonden zonder dat mensen hun leven op het spel hoeven te 
zetten.

Autonome lokalisatie gasbronnen
Autonome lokalisatie van gasbronnen is een complexe taak. Kunstmatige 
gassensoren zijn minder goed dan dierenneuzen in staat om kleine hoeveelheden 
gas te detecteren en te reageren op snelle veranderingen in de gasconcentratie. 
Bovendien kan de omgeving waarin het gas zich verspreidt complex zijn. Veel van 
het onderzoek op dit gebied heeft zich dan ook gericht op zelfstandige robots 
die naar een gasbron zoeken in vrij kleine omgevingen zonder obstakels, waarin 
de bron gemakkelijker te vinden is.
[A picture containing building, indoor  Description automatically 
generated]<https://www.youtube.com/watch?v=hj_SBSpK5qg>
Een zwerm kleine drones gaat een gebouw binnen op zoek naar een gaslek. Het 
onderzoeksteam heeft commercieel verkrijgbare CrazyFlie-drones gebruikt, die 
een diameter van 12 cm hebben en slechts ongeveer 37.5 gram wegen. Klik op de 
afbeelding voor de YouTube-video.

Zwermen kleine drones
"We zijn ervan overtuigd dat werken met een zwerm kleine drones een 
veelbelovende aanpak is voor autonome lokalisatie van gasbronnen", zegt Guido 
de Croon, hoogleraar bij het Micro Air Vehicle laboratory van de TU Delft. 
"Door de geringe omvang van de drones zijn ze zeer veilig voor mensen en 
spullen die zich eventueel nog in het gebouw bevinden, en omdat ze zich 
vliegend voortbewegen, zullen ze uiteindelijk in drie dimensies naar de bron 
kunnen zoeken. Bovendien zijn ze door hun kleine formaat ook bruikbaar in 
kleine binnenruimtes. En een gasbron kan sneller worden gelokaliseerd omdat er 
met een zwerm drones wordt gewerkt, en ze zich in hun zoektocht naar de echte 
bron niet laten foppen door lokale maxima van de gasconcentratie."
Omdat de drones zo klein zijn, is het anderzijds wel heel moeilijk om ze van de 
kunstmatige intelligentie te voorzien die noodzakelijk is voor autonome 
lokalisatie van een gasbron. De sensoren en rekenkracht aan boord van de drones 
zijn uiterst beperkt, en niet geschikt voor het type AI-algoritme waardoor 
auto's autonoom kunnen rijden. Bovendien brengt het opereren in een zwerm zijn 
eigen uitdagingen met zich mee, aangezien de drones elkaar moeten opmerken om 
botsingen te vermijden en samen te werken.
[A picture containing brick  Description automatically generated]
De drones hebben het gaslek gevonden en verzamelen zich eromheen.

Kunstmatige intelligentie geïnspireerd op de natuur
"In de natuur zijn er allerlei voorbeelden van succesvolle navigatie en 
lokalisatie van geurbronnen met zeer beperkte middelen", aldus Bart Duisterhof, 
die aan het onderzoek gewerkt heeft in het kader van zijn masterscriptie aan de 
TU Delft. "Denk maar aan fruitvliegjes, die 's zomers met hun kleine hersentjes 
van zo'n 100.000 neuronen onfeilbaar de bananen in je keuken weten te vinden. 
Ze doen dit door handig eenvoudige acties te combineren, zoals tegen de 
luchtstroom in vliegen, of juist loodrecht op de luchtstroom, afhankelijk van 
of ze de geur wel of niet ruiken. Omdat we op onze robots geen 
luchtstroomsensoren hebben, konden we dit gedrag niet direct kopiëren, maar we 
hebben onze robots wel vergelijkbaar eenvoudig gedrag bijgebracht om hun taak 
te volbrengen."
De kleine drones beschikken voor hun navigatie over een nieuw 
'insectenalgoritme', genaamd 'Sniffy Bug'. Zolang er nog geen drone gas heeft 
geroken, verspreiden de drones zich zoveel mogelijk over de omgeving, terwijl 
ze obstakels en elkaar ontwijken. Als een van de drones gas detecteert, geeft 
hij dit door aan de anderen. Vanaf dat moment gaan de drones met elkaar 
samenwerken om zo snel mogelijk de gasbron te vinden. De zwerm zoekt dan de 
maximale gasconcentratie met een algoritme genaamd 'particle swarm 
optimization' (PSO), waarbij elke drone fungeert als een 'deeltje'. 
Oorspronkelijk was dit algoritme gemodelleerd naar het sociale gedrag en de 
bewegingen van vogelzwermen. Elke drone beweegt op basis van de locatie waar 
hij zelf de hoogste gasconcentratie waarneemt, de locatie waar de zwerm de 
hoogste concentratie waarneemt, en een momentum om in dezelfde richting te 
blijven bewegen. Het voordeel van deze zoekstrategie is dat alleen de 
gasconcentratie gemeten hoeft te worden, en niet de gasconcentratiegradiënt of 
de richting van de luchtstroom. Bovendien zorgt het algoritme ervoor dat de 
zwerm lokale maxima kan negeren die in complexe omgevingen kunnen optreden.
[cid:image004.jpg@01D777F6.6247ECE0]
Time-lapseafbeelding van een van de experimenten. De rode vierkanten zijn de 
startpunten van de drones, die waren uitgerust met blauwe lichtjes. Het gele 
vierkant is de locatie van de gasbron. De groene vierkantjes zijn de 
eindposities van de drones. De blauw-witte stippen geven de plaats weer van de 
drones zoals ze op achtereenvolgende momenten door de camera zijn vastgelegd.

Praktische toepassingen
"Dit onderzoek toont aan dat zwermen kleine drones zeer complexe taken kunnen 
uitvoeren", voegt Guido eraan toe. "We hopen dat dit onderzoek een inspiratie 
vormt voor andere roboticaonderzoekers om te heroverwegen welk type AI nodig is 
voor autonoom vliegen."
Er is meer werk nodig om dit type technologie verder te ontwikkelen tot een 
volledig werkend product. De onderzoekers hebben zich bijvoorbeeld nog niet 
beziggehouden met driedimensionaal bewegen om gasbronnen op variabele hoogte te 
lokaliseren. Verder moet ook de betrouwbaarheid van de navigatie worden 
verbeterd voordat de drones kunnen worden ingezet in een echt noodscenario.
Het huidige resultaat is echter veelbelovend. De ontwikkelde algoritmen zijn 
niet alleen bruikbaar voor het opsporen van gaslekken in gebouwen, maar ook 
voor wetenschappelijke missies zoals het opsporen van methaan op Mars, of 
zakelijke toepassingen zoals het vroegtijdig opsporen van ziekten of plagen in 
kassen.


Meer informatie
Wetenschappelijk artikel:
Sniffy Bug: A Fully Autonomous Swarm of Gas-Seeking Nano Quadcopters in 
Cluttered Environments, by B.P. Duisterhof, S. Li, J. Burgués, V.J. Reddi, and 
G.C.H.E. de Croon, accepted at IEEE/RSJ International Conference on Intelligent 
Robots and Systems 2021 (IROS 2021). - Preprint available at the Arxiv: 
https://arxiv.org/abs/2107.05490
Video: https://youtu.be/hj_SBSpK5qg
Video playlist: 
https://www.youtube.com/playlist?list=PL_KSX9GOn2P-J5qh90Y-9fw2ODcxYtFap
Meer informatie op: http://mavlab.tudelft.nl/

Contact
Prof. dr. Guido de Croon, 
g.c.h.e.decroon@xxxxxxxxxx<mailto:g.c.h.e.decroon@xxxxxxxxxx> , +31 (0)152781402
Sharita Balgobind, persvoorlichter TU Delft, 
u.s.balgobind@xxxxxxxxxx<mailto:u.s.balgobind@xxxxxxxxxx>, +31 (0)152784259


PNG image

PNG image

JPEG image

Other related posts:

  • » [PWC-MEDIA] Persbericht TU Delft: Zwerm autonome kleine drones kan gaslekken lokaliseren - Sharita Balgobind