Università di Stanford e NASA insieme per un sistema anticollisione per droni

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I ricercatori di tutto il mondo sono alle prese con un problema difficile: disciplinare il traffico aereo di droni in un domani non troppo lontano in cui i robot volanti riempiranno i nostri cieli. L’università di Stanford, nel cuore della Silicon Valley, è la punta di diamante di questa ricerca, e insieme alla NASA lavora allo sviluppo di un UTM, un sistema di gestione del traffico aereo derivato da quello usato per gli aeroplani ma portato alla scala dei droni, che è molto più complicato di quel che possa sembrare: i droni saranno molto più numerosi degli aeroplani, seguiranno rotte molto più imprevedibili e si muoveranno a una quota molto inferiore, sotto il raggio di copertura dei radar esistenti. “L’UTM offrirà molte delle funzioni dei sistemi di controllo del traffico aereo, ma

Mykel John Kochenderfer Assistant Professor of Aeronautics and Astronautics

Mykel John Kochenderfer
Assistant Professor of Aeronautics and Astronautics

sarà connesso attraverso il cloud e in gran parte automatico” spiega il direttore del progetto della Stanford,  Mykel Kochenderfer, docente di aeronautica e astronautica. Nella visione del team, l’UTM dovrà gestire la coreografia di un enorme numero di droni, non è possibile fare come per gli aeroplani, dove controllori di volo umani monitorano uno per uno i diversi velivoli: oggi negli USA 15 mila persone sovrintendono al traffico giornaliero di 87 mila voli al giorno. Ma i droni saranno molti di più, non si può pensare di mettere un esercito di persone a controllarli uno per uno: solo i voli di Amazon a regime si stima saranno 130 mila al giorno, ed è solo uno degli operatori interessati a intasare lo spazio aereo american, altri sono in lista, a cominciare da Google.

La chiave è evitare le collisioni
downloadPerché questa orchestrazione celeste funzioni, è necessario innanzitutto definire dei protocolli per evitare le collisioni in volo, potenzialmente catastrofiche specialmente in ambiente urbano. Serve non solo un sistema che avvisi i droni della possibilità di una collisione, ma deve anche stabilire automaticamente le precedenze e fare in modo che il drone risponda compiendo le manovre necessarie. Un lavoro non banale di cui si è incaricato un giovane laureato in ingegneria meccanica,  Hao Yi Ong, che ha sviluppato un algoritmo che, una volta implementato dell’UTM, minimizza il rischio di incidenti del genere.

Un passo alla volta
Un po’ come il Lego, la soluzione che NASA a Stanford stanno disegnando sarà resa disponibile a mattoncini: il primo, già presentato lo scorso agosto, si basa largamente sul geo-fencing, cioè sulla determinazione di corridoi aerei riservati ai droni, rotte sicure che evitano il sorvolo di aree proibite e fanno scorrere il flusso di droni in modo efficiente. “Questa prima fase è utile soprattutto per i droni agricoli” dice ONG. “Ma mostra tutti i suoi limiti quando si tratta di far volare droni in città per le operazioni di delivery in città, perché non si può riservare lo spazio aereo in aree congestionate per far passare un drone alla volta”. In questo scenario il sistema per evitare le collisioni diventa fondamentale, che è il secondo mattoncino. E gli algoritmi fin qui sviluppati, per quanto potenti, mostrano la corda. Ci vuole un approccio nuovo:  Kochenderfer tempo fa ne aveva sviluppato uno innovativo, chiamato ACAS X, che usa l’approccio della programmazione dinamica per determinare la strategia ottimale per evitare la collisione. Ma ancora è manuale e pensatop per gli aeroplani: ACAS X semplicemente suggerisce al pilota cosa deve fare, e inoltre perché funzioni deve diventare obbligatorio per tutti, e ancora non è così, anche se sia la FAA, l’ENAC americana, sia le authority aeronautiche mondiali stanno lavorando per standardizzarlo.

La maledizione della dimensione
swam-bots-carouselBisogna comunque andare oltre, e ONG sta appunto cercando di evitare la necessità di avvisare l’operatore umano e passare direttamente a integrare ACAS X nel sistema automatico di evitamento delle collisioni. Con una variabile in più, spiega il ricercatore: “Nel mondo dell’aviazione, possibili rotte di collisione che riguardano più di due aerei è un evento estremamente raro. Ma in un ambiente congestionato come una città, i conflitti possono riguardare facilmente tre o anche più droni. pensiamo solo a un’azienda che deve ricevere molti pacchi. O immaginiamo in uncidente che convogli nello stesso punto droni della polizia, dei pompieri e dei media”. Secondo Ong, al crescere del numero dei droni il problema si complica in modo esponenziale, in quello che i matematici chiamano la maledizione della dimensione (curse of dimensionality). Quindi dobbiamo trovare soluzioni più efficienti rispetto alla forza bruta di calcolo per trovare la soluzione migliore in nodi complicati”. La strategia di Ong è quello di risolvere i conflitti multidrone a coppie, prendendo rapidamente l’azione migliore per ogni coppia di droni in una matrice che pronostica con la migliore approssimazione possibile  la rotta di ogni robot volante. Il server coordina tutte queste coppie di soluzioni e calcola le azioni evasive di tutti i mezzi coinvolti, a due a due.
In questo modo, “in una manciata di millisecondi tutti i pacchetti natalizi volanti sanno con precisione cosa fare per evitare situazioni di rischio” conclude il ricercatore. 

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Per verificare la validità di questo approccio, i ricercatori hanno simulato un milione di situazioni potenzialmente catastrofiche in grappoli che comprendevano da due a 10 droni. Hanno poi comparato le diverse soluzioni possibili, in modo da semplificare le manovre e far sì che i droni reagissero solo ai rischi più immediati. Il risultato è stato un incremento significativo della sicurezza, tempi decisionali inferiori e è anche diminutta al quantità degli allarmi. Tutto ciò va benissimo se i droni sono disciplinati e non ci sono problemi, ma bisogna fronteggiare situazioni reali scomode: interruzione delle comunicazioni, problemi meteorologici improvvisi o droni che deliberatamente prendono comportamenti distruttivi o criminali. Per arrivare a fronteggiare anche questo bisognerà attendere almeno altri tre anni.

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