วิศวกรที่คาลเทคได้สอนโดรนเพื่อต้อนนกทั้งฝูงที่อยู่ห่างสนามบิน

วิศวกรของคาลเทคได้พัฒนาอัลกอริธึมการควบคุมใหม่ที่ช่วยให้โดรนลำเดียวสามารถต้อนนกทั้งฝูงออกจากน่านฟ้าของสนามบินได้. อัลกอริทึมถูกนำเสนอในการศึกษาใน ธุรกรรม IEEE เกี่ยวกับวิทยาการหุ่นยนต์.

โครงการได้รับแรงบันดาลใจจาก 2009 “ปาฏิหาริย์บนแม่น้ำฮัดสัน,” เมื่อเที่ยวบินของ US Airways 1549 ชนฝูงห่านไม่นานหลังจากเครื่องขึ้น และนักบิน Chesley Sullenberger และ Jeffrey Skiles ถูกบังคับให้ลงจอดในแม่น้ำฮัดสันนอกแมนฮัตตัน.

“ผู้โดยสารบนเที่ยวบิน 1549 ได้รับการช่วยชีวิตเพียงเพราะนักบินมีทักษะมาก,” ซุนโจชุงกล่าว, รองศาสตราจารย์ด้านการบินและอวกาศและ Bren Scholar ในสาขาวิชาวิศวกรรมศาสตร์และวิทยาศาสตร์ประยุกต์ รวมถึงนักวิทยาศาสตร์การวิจัยของ JPL, และผู้ตรวจสอบหลักในโครงการเลี้ยงสัตว์ด้วยโดรน. “มันทำให้ฉันคิดว่าครั้งต่อไปอาจจะไม่มีความสุขขนาดนี้. ดังนั้นฉันจึงเริ่มมองหาวิธีที่จะปกป้องน่านฟ้าจากนกโดยใช้ประโยชน์จากการวิจัยของฉันในด้านความเป็นอิสระและหุ่นยนต์”

เครดิต: ซุน-โจ ชุง/คาลเทค

กลยุทธ์ปัจจุบันในการควบคุมน่านฟ้า ได้แก่ การปรับเปลี่ยนสภาพแวดล้อมโดยรอบเพื่อทำให้นกไม่น่าดึงดูดใจ, ใช้เหยี่ยวที่ได้รับการฝึกฝนมาทำให้ฝูงแกะตกใจ, หรือแม้แต่ขับโดรนเพื่อทำให้นกตกใจ. กลยุทธ์เหล่านี้อาจมีค่าใช้จ่ายสูง หรือไม่น่าเชื่อถือในกรณีของโดรนควบคุมด้วยมือ, ชุงกล่าว, ซึ่งเป็นนักวิจัยที่ศูนย์ระบบและเทคโนโลยีอัตโนมัติของคาลเทค.

“เมื่อต้อนนกออกจากน่านฟ้า, คุณต้องระมัดระวังอย่างมากในการวางตำแหน่งโดรนของคุณ. ถ้ามันไกลเกินไป, มันจะไม่ทำให้ฝูงแกะเคลื่อน. และถ้ามันเข้าใกล้เกินไป, คุณเสี่ยงที่จะกระจายฝูงแกะและทำให้ควบคุมไม่ได้โดยสิ้นเชิง. นั่นเป็นเรื่องยากที่จะทำกับโดรนบังคับ”

การเลี้ยงสัตว์อาศัยความสามารถในการจัดการฝูงแกะเป็นฝูงเดียว, เอนทิตีที่มีอยู่—รวมมันไว้ด้วยกันในขณะที่เปลี่ยนทิศทางการเดินทาง. นกแต่ละตัวในฝูงจะตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมของนกที่อยู่ใกล้ที่สุด. การต้อนฝูงสัตว์ที่มีประสิทธิภาพจำเป็นต้องมีภัยคุกคามจากภายนอก ในกรณีนี้, เสียงพึมพำ - เพื่อวางตำแหน่งตัวเองในลักษณะที่จะกระตุ้นให้นกตามขอบฝูงทำการเปลี่ยนแปลงเส้นทางซึ่งส่งผลต่อนกที่อยู่ใกล้ที่สุด, ซึ่งส่งผลต่อนกที่อยู่ไกลออกไปในฝูง, และอื่นๆ, จนกว่าฝูงทั้งหมดจะเปลี่ยนไป. การวางตำแหน่งจะต้องแม่นยำ, อย่างไรก็ตาม: หากภัยคุกคามจากภายนอกมีความกระตือรือร้นมากเกินไปและรีบวิ่งไปที่ฝูง, นกจะตื่นตระหนกและแสดงอาการเป็นรายบุคคล, ไม่ใช่โดยรวม.

ใน 2013, ขณะที่เขาเป็นผู้ช่วยศาสตราจารย์ที่ University of Illinois at Urbana-Champaign, Chung ได้รับรางวัล National Science Foundation CAREER Award จากการแก้ไขปัญหาดังกล่าว. เดิมที, จุงตั้งใจจะสร้างแบบเที่ยวเอง, หุ่นยนต์กระพือปีกซึ่งการบินจะเลียนแบบนกเหยี่ยว, โดยคิดว่าการออกแบบที่ได้รับแรงบันดาลใจทางชีวภาพจะทำให้มีประสิทธิภาพมากขึ้นในการควบคุมฝูงแกะโดยการนำเสนอภัยคุกคามที่ดูเป็นธรรมชาติ. ในขณะที่การทำงานในทิศทางนั้นทำให้เกิดโดรนรูปแบบใหม่โดยสิ้นเชิง นั่นก็คือ “ค้างคาวบอท” ที่ Chung เปิดตัวในปี 2560 เขาพบว่าโดรน quadrotor ที่วางจำหน่ายทั่วไปนั้นมีประสิทธิภาพในการต้อนนกพอๆ กัน.

เพื่อสอนโดรนให้ฝูงบินอัตโนมัติ, จุงและเพื่อนร่วมงานของเขา, รวมถึง Aditya Paranjape จาก Imperial College London, อดีตนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาคนหนึ่งของเขา, ศึกษาและได้รับแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของพลศาสตร์ฝูงสัตว์เพื่ออธิบายว่าฝูงสัตว์สร้างและรักษารูปแบบต่างๆ ได้อย่างไร, พวกเขาตอบสนองต่อภัยคุกคามตามขอบฝูงอย่างไร, และวิธีที่พวกเขาสื่อสารภัยคุกคามนั้นผ่านฝูงแกะ. งานของพวกเขาปรับปรุงอัลกอริธึมที่ออกแบบมาสำหรับต้อนแกะ, ซึ่งจำเป็นต้องทำงานในสองมิติเท่านั้น, แทนที่จะเป็นสาม.

“เราศึกษาพลวัตของฝูงสัตว์และปฏิสัมพันธ์ระหว่างฝูงแกะและผู้ไล่ตามอย่างรอบคอบเพื่อพัฒนาอัลกอริธึมการต้อนฝูงสัตว์ด้วยเสียงทางคณิตศาสตร์เพื่อให้แน่ใจว่าฝูงแกะจะย้ายได้อย่างปลอดภัยโดยใช้โดรนอัตโนมัติ,” คยูนัม คิม กล่าว, นักวิชาการหลังปริญญาเอกด้านการบินและอวกาศที่ Caltech และเป็นผู้เขียนร่วมของรายงาน IEEE.

เมื่อพวกเขาสามารถสร้างคำอธิบายทางคณิตศาสตร์ของพฤติกรรมการรวมตัวกันได้, นักวิจัยได้ออกแบบย้อนกลับเพื่อดูว่าฝูงแกะจะตอบสนองต่อภัยคุกคามภายนอกที่เข้ามาใกล้อย่างไร, จากนั้นใช้ข้อมูลนั้นเพื่อสร้างอัลกอริธึมการต้อนฝูงสัตว์ใหม่ที่สร้างเส้นทางการบินในอุดมคติสำหรับโดรนที่เข้ามาเพื่อเคลื่อนย้ายฝูงแกะออกจากน่านฟ้าที่ได้รับการป้องกันโดยไม่กระจายออกไป.

“งานวิจัยก่อนหน้าของฉันมุ่งเน้นไปที่ยานอวกาศและฝูงโดรน, ซึ่งกลายเป็นเรื่องที่เกี่ยวข้องกับโครงการนี้อย่างน่าประหลาดใจ,” ชุงกล่าว.

ทีมทดสอบอัลกอริธึมกับฝูงนกใกล้ทุ่งแห่งหนึ่งในเกาหลี และพบว่าโดรนเพียงตัวเดียวสามารถกันฝูงนกหลายสิบตัวออกจากน่านฟ้าที่กำหนดได้. ประสิทธิผลของอัลกอริธึมจะถูกจำกัดด้วยจำนวนและขนาดของนกที่เข้ามาเท่านั้น, ชุงกล่าว, เสริมว่าทีมงานวางแผนที่จะสำรวจวิธีการขยายโครงการสำหรับโดรนหลายตัวที่ต้องจัดการกับฝูงสัตว์หลายตัว.

แหล่งที่มา:

http://www.caltech.edu, โดย Robert Perkins