Ant-geïnspireerde navigatiedoorbraak maakt kleine autonome robots mogelijk

Bewegingsontwerp INSIDER

Heb je je ooit afgevraagd hoe insecten zo ver buiten hun huis kunnen komen en toch de weg naar huis kunnen vinden? Het antwoord op deze vraag is niet alleen relevant voor de biologie, maar ook voor het maken van AI voor kleine, autonome robots. Drone-onderzoekers van de TU Delft voelden zich geïnspireerd door biologische bevindingen over hoe mieren hun omgeving visueel herkennen en dat combineren met het tellen van hun stappen om veilig thuis te komen. Ze hebben deze inzichten gebruikt om een ​​autonome navigatiestrategie voor kleine, lichtgewicht robots te creëren. De strategie maakt het mogelijk dat dergelijke robots na lange trajecten thuiskomen, terwijl ze extreem weinig rekenkracht en geheugen vereisen (1,16 kB per 100 m). In de toekomst zouden kleine autonome robots een breed scala aan toepassingen kunnen vinden, van het monitoren van de voorraad in magazijnen tot het opsporen van gaslekken op industriële locaties. De onderzoekers publiceerden hun bevindingen in Science Robotics , op 17 juli 2024.

Kleine robots, van tientallen tot een paar honderd gram, hebben het potentieel om veel interessante toepassingen in de echte wereld uit te voeren. Door hun lichte gewicht zijn ze uiterst veilig, zelfs als ze per ongeluk tegen iemand aanlopen. Omdat ze klein zijn, kunnen ze in smalle gebieden navigeren. En als ze goedkoop gemaakt kunnen worden, kunnen ze in grote aantallen worden ingezet, zodat ze snel een groot gebied kunnen bestrijken, bijvoorbeeld in een kas voor vroege detectie van plagen of ziekten. Het is echter moeilijk om zulke kleine robots zelfstandig te laten werken, omdat ze over extreem beperkte middelen beschikken vergeleken met grotere.

Een groot obstakel voor het gebruik van kleine robots is dat ze voor toepassingen in de echte wereld zelfstandig zullen moeten kunnen navigeren met behulp van externe infrastructuur. Ze zouden locatieschattingen kunnen gebruiken van GPS-satellieten buitenshuis of van draadloze communicatiebakens binnenshuis. GPS kan alleen buitenshuis worden gebruikt en kan zeer onnauwkeurig zijn in rommelige omgevingen, zoals in stedelijke canyons. En het installeren en onderhouden van bakens in binnenruimtes is vrij duur of simpelweg niet mogelijk, bijvoorbeeld bij zoek- en reddingsscenario's.

De AI die nodig is voor autonome navigatie met alleen middelen aan boord is ontwikkeld met grote robots zoals zelfrijdende auto's in gedachten. Sommige van deze benaderingen zijn afhankelijk van zware, energievretende sensoren zoals LiDAR, die niet kunnen worden gedragen of aangedreven door kleine robots. Andere benaderingen maken gebruik van vision-sensoren, die doorgaans proberen zeer gedetailleerde 3D-kaarten van de omgeving te maken. Dat vereist echter grote hoeveelheden verwerkingscapaciteit en geheugen, die alleen kunnen worden geleverd door computers die te groot zijn en te veel energie verbruiken voor kleine robots.

Dit is de reden waarom sommige onderzoekers zich voor inspiratie tot de natuur wenden. Insecten zijn vooral interessant omdat ze opereren over afstanden die relevant kunnen zijn voor veel toepassingen in de echte wereld, terwijl ze zeer schaarse detectie- en computerbronnen gebruiken. Insecten combineren het bijhouden van hun eigen beweging (odometrie) met visueel geleid gedrag op basis van hun lage resolutie, maar bijna omnidirectionele, visuele systeem (bekijk geheugen).

Terwijl odometrie steeds beter wordt begrepen, zelfs tot op neuronaal niveau, worden de precieze mechanismen die ten grondslag liggen aan het kijkgeheugen minder goed begrepen. Daarom bestaan ​​er meerdere concurrerende theorieën over hoe insecten visie gebruiken voor navigatie. Een van de vroegste theorieën stelt een ‘snapshot’-model voor, waarbij een insect zoals een mier af en toe momentopnamen maakt van zijn omgeving. Wanneer hij later dichtbij de locatie in de momentopname komt, kan hij zijn huidige visuele waarneming vergelijken met de momentopname en bewegen om de verschillen te minimaliseren. Hierdoor kan het insect naar de momentopnamelocatie navigeren, of ‘naar huis’ gaan, waardoor eventuele drift wordt verwijderd die zich onvermijdelijk opbouwt bij het uitvoeren van alleen odometrie.

"Navigatie op basis van momentopnamen kan worden vergeleken met hoe Hans probeerde niet te verdwalen in het sprookje van Hans en Grietje. Toen Hans stenen op de grond gooide, kon hij terug naar huis, maar toen hij broodkruimels gooide die door de vogels werden opgegeten, raakte hij verdwaald. In ons geval zijn de stenen de momentopnamen", zegt Tom van Dijk, eerste auteur van het onderzoek. "Net als bij een steen moet de robot, om een momentopname te laten werken, dicht genoeg bij de momentopnamelocatie zijn. Als de visuele omgeving te veel verschilt van die op de momentopnamelocatie, kan de robot in de verkeerde richting bewegen en nooit meer terugkomen. Daarom moet je voldoende momentopnamen gebruiken - of, in het geval van Hansel, een voldoende aantal stenen laten vallen. Aan de andere kant zou het laten vallen van stenen te dicht bij elkaar de stenen van Hansel te snel uitputten. In het geval van een robot leidt het gebruik van te veel momentopnamen tot een groot geheugengebruik." Bij eerdere werkzaamheden op dit gebied lagen de snapshots doorgaans heel dicht bij elkaar, zodat de robot eerst visueel de ene snapshot kon bekijken en vervolgens de volgende.”

“Het belangrijkste inzicht dat ten grondslag ligt aan onze strategie is dat je snapshots veel verder uit elkaar kunt plaatsen, als de robot op basis van odometrie tussen snapshots reist”, zegt professor Guido de Croon, co-auteur van het artikel. "Homing zal werken zolang de robot dicht genoeg bij de momentopnamelocatie komt, d.w.z. zolang de odometriedrift van de robot binnen het verzorgingsgebied van de momentopname valt. Hierdoor kan de robot ook veel verder reizen."

Dankzij de voorgestelde op insecten geïnspireerde navigatiestrategie kon een Crazyflie-drone van 56 gram, uitgerust met een omnidirectionele camera, afstanden tot 100 meter overbruggen met slechts 1,16 kB. Alle visuele verwerking gebeurde op een kleine microcontroller.

“De voorgestelde, op insecten geïnspireerde navigatiestrategie is een belangrijke stap op weg naar de toepassing van kleine autonome robots in de echte wereld”, aldus De Croon. "De functionaliteit van de voorgestelde strategie is beperkter dan die van de modernste navigatiemethoden; het genereert geen kaart en laat de robot alleen terugkeren naar het startpunt. Toch kan dit voor veel toepassingen meer dan genoeg zijn. Voor het volgen van de voorraad in magazijnen of het monitoren van gewassen in kassen kunnen drones bijvoorbeeld uitvliegen, gegevens verzamelen en vervolgens terugkeren naar het basisstation. Ze kunnen missierelevante beelden opslaan op een kleine SD-kaart voor nabewerking door een server."

Bron