Khi nhiều máy bay không người lái (UAV) hoạt động cùng trong một không phận giới hạn như phun thuốc trừ sâu trên một cánh đồng ngô hoặc theo dõi một sự kiện, xuất hiện nguy cơ các drone va chạm với nhau.
Để giúp tránh những sự cố đáng tiếc này, các nhà khoa học thuộc Viện Nghiên cứu công nghệ Massachusetts (MIT) đã giới thiệu một hệ thống phần mềm điều hành, có tên gọi là Mader năm 2020. Công cụ lập kế hoạch quỹ đạo đa tác nhân này cho phép một nhóm UAV xây dựng quỹ đạo tối ưu không va chạm. Mỗi tác nhân phát sóng quỹ đạo của drone để các UAV khác biết máy bay đang định đi đâu. Sau đó, các hệ thống điều khiển sẽ tính toán quỹ đạo của những UAV trong khu vực và tối ưu hóa quỹ đạo của chính drone để đảm bảo các UAV không va chạm.
Nhưng khi nhóm nghiên cứu thử nghiệm hệ thống trên UAV thực, các nhà khoa học mIT phát hiện, nếu drone không có thông tin cập nhật về quỹ đạo của những đối tác, UAV có thể vô tình chọn đường dẫn đến va chạm. Nhóm nghiên cứu tiếp tục phát triển hệ thống Mader và hiện đang triển khai Robust Mader, công cụ lập kế hoạch quỹ đạo đa tác nhân, hình thành các quỹ đạo bay không va chạm ngay cả khi liên lạc giữa các UAV bị trễ hoặc mất liên lạc.
Kota Kondo, sinh viên tốt nghiệp ngành hàng không và du hành vũ trụ cho biết: “Mader hoạt động rất tốt trong những mô phỏng máy tính, nhưng phần mềm chưa được thử nghiệm trên phần cứng. Do đó chúng tôi đã chế tạo một loạt UAV, cài đặt phần mềm và bắt đầu cho các drone bay. Các UAV cần giao tiếp với nhau để chia sẻ quỹ đạo, nhưng một khi UAV bắt đầu bay, sẽ nhanh chóng nhận thấy, luôn có sự chậm trễ trong liên lạc dẫn đến những lỗi kỹ thuật.”
Thử nghiệm các UAV trong môi trường thực tế với phần mềm điều khiển bay Robust Mader. Video AerospaceControlsLab/MIT |
Thuật toán kết hợp thêm một bước kiểm tra độ trễ, trong đó UAV sẽ đợi một khoảng thời gian cụ thể trước khi chuyển sang một quỹ đạo mới được tối ưu hóa. Nếu UAV nhận thông tin bổ sung quỹ đạo từ các UAV khác trong khoảng thời gian trễ, drone sẽ từ bỏ quỹ đạo mới và bắt đầu lại quá trình tối ưu hóa.
Khi Kondo và các cộng tác viên nhóm nghiên cứu thử nghiệm Robust Mader cả trong mô phỏng và thử nghiệm chuyến bay với UAV thực, phần mềm đạt tỷ lệ thành công 100% trong khả năng tạo ra những quỹ đạo không va chạm. Mặc dù thời gian di chuyển của UAV chậm hơn một chút so với một số phương thức tiếp cận khác, nhưng không có giải pháp công nghệ nào có thể đảm bảo an toàn.
Kondo nói: “Muốn có được đường bay an toàn hơn, hệ điều khiển UAV phải cẩn thận và hợp lý để tránh va vào chướng ngại vật, mất thêm thời gian mới về đích. Nếu UAV va vào thứ gì đó, cho dù drone có đi nhanh đến đâu cũng không thực sự quan trọng vì UAV sẽ không đến đích.”.
Nhóm nghiên cứu của Kondo đã viết bài báo với sự tham gia của TS Jesus Tordesillas, nhóm sinh viên trường Đại học MIT và tác giả cao cấp của nghiên cứu Jonathan P. How, GS Hàng không và Du hành vũ trụ Richard C. Maclaurin, điều tra viên chính trong Phòng thí nghiệm Hệ thống ra Quyết định và Thông tin (LIDS), thành viên của Phòng thí nghiệm AI Watson của MIT-IBM. Công trình nghiên cứu sẽ được trình bày thực tế tại Hội nghị Quốc tế về Robot và Tự động hóa.
Lập kế hoạch đường bay cho UAV
Mader là công cụ lập kế hoạch quỹ đạo đa tác nhân, phi tập trung, không đồng bộ. Giải thích này có nghĩa là mỗi UAV hình thành quỹ đạo hoàn toàn độc lập và tất cả các đối tác phải thống nhất về từng đường bay độc lập, nhưng các UAV không cần phải đồng ý cùng một lúc. Ưu điểm này khiến cho MADER có khả năng mở rộng hơn so với những phương pháp khác do sự hiện diện trên không phận cùng lúc hàng nghìn UAV sẽ rất khó đồng bộ hóa về quỹ đạo bay của từng cá thể. Do tính chất phi tập trung của phần mềm, hệ thống cũng sẽ hoạt động hiệu quả hơn trong môi trường thế giới thực, nơi UAV có thể bay rất xa máy tính trung tâm.
Được cài đặt phần mềm Mader, mỗi UAV tối ưu hóa đường bay bằng phương pháp sử dụng thuật toán kết hợp các quỹ đạo mà drone nhận được từ các đối tác UAV khác. Bằng giải pháp liên tục tối ưu hóa và đưa ra các đường bay mới, UAV dễ dàng tránh va chạm và đến được điểm đích.
Khi một drone đối tác chia sẻ quỹ đạo mới vài giây trước, nhưng đối tác UAV không nhận được thông tin ngay lập tức vì liên lạc bị trì hoãn. Trong môi trường thế giới thực, tín hiệu thường bị trễ do nhiễu từ vô số các thiết bị khác hoặc những yếu tố môi trường như thời tiết, bão tố. Do sự chậm trễ không thể tránh khỏi này, một UAV có thể vô tình chuyển sang một đường bay mới và gây ra va chạm với một UAV khác.
Mader mạnh mẽ ngăn chặn các xung đột như vậy vì mỗi UAV sẽ lập sẵn 2 quỹ đạo. UAV giữ một đường bay chắc chắn an toàn, đã kiểm tra những va chạm tiềm ẩn. Trong khi đi theo đường bay đó, UAV tiếp tục tối ưu hóa đường bay mới nhưng không sử dụng chắc chắn đường bay mới cho đến khi hoàn thành kiểm tra độ trễ.
Trong khoảng thời gian kiểm tra độ trễ, UAV có một khoảng thời gian cố định để liên tục kiểm tra thông tin liên lạc từ những đối tác drone khác nhằm kiểm tra, quỹ đạo mới có an toàn hay không. Nếu drone phát hiện một vụ va chạm tiềm ẩn, UAV sẽ xóa bỏ đường bay mới và bắt đầu lại quá trình tối ưu hóa đường bay.
Nhà nghiên cứu Kondo cho biết, độ dài của khoảng thời gian kiểm tra độ trễ phụ thuộc vào khoảng cách giữa các UAV và những yếu tố môi trường có thể cản trở quá trình liên lạc. Ví dụ, nếu các drone cách xa nhau nhiều km thì thời gian kiểm tra độ trễ sẽ phải dài hơn.
Hoàn toàn không xảy va chạm
Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm phương pháp mới bằng giải pháp chạy hàng trăm mô phỏng, đưa vào độ trễ giao tiếp ảo. Trong mỗi mô phỏng, Robust Mader đã thành công 100% trong việc tạo ra những đường bay không va chạm, trong khi tất cả các đường bay cơ sở ban đầu đều gây ra va chạm.
Các nhà khoa học đã chế tạo 6 UAV và 2 chướng ngại vật trên không, đồng thời thử nghiệm Robust MADER trong môi trường bay đa đối tượng. Thử nghiệm đã xác định được, khi sử dụng phiên bản gốc Mader trong môi trường nhiều UAV sẽ dẫn đến 7 lần va chạm, nhưng Robust Maber mạnh mẽ không gây ra bất kỳ va chạm nào trong thử nghiệm phần cứng thực tế.
Nhà khoa học Kondo giải thích: “Cho đến khi thực sự vận hành phần cứng, người dùng sẽ không biết điều gì có thể gây ra sự cố. Nhóm nghiên cứu đã nắm rõ sự khác biệt giữa mô phỏng và phần cứng, nên đã tạo ra thuật toán mạnh và linh hoạt, điều khiển UAV trong thực tế và cho kết quả hoàn hảo.”
UAV có thể bay với tốc độ 3,4 m/s với phần mềm Robust MADER, có thời gian di chuyển trung bình chậm hơn một chút so với đường bay cơ sở. Nhưng không có phương pháp nào khác hoàn toàn không có va chạm trong mọi thí nghiệm.
Trong tương lai, nhóm nghiên cứu của Kondo lên kế hoạch thử nghiệm Robust MADER ngoài trời, nơi có nhiều chướng ngại vật và rất nhiều tiếng ồn, nhiễu điện từ có thể ảnh hưởng đến thông tin liên lạc. Nhóm cũng dự kiến trang bị cho UAV các cảm biến hình ảnh AI để drone có thể phát hiện các đối tác hoặc chướng ngại vật khác, dự đoán chuyển động của những drone đối tác hoặc đối tượng không tương tác và sử dụng những dữ liệu trên nền tảng Máy học để tối ưu hóa đường bay và giảm thời gian tiêu hao trong quá trình thời gian kiểm tra với độ trễ.
Nghiên cứu được Công ty Nghiên cứu và Công nghệ Boeing tài trợ.
Theo MIT News
