Gli ingegneri di Caltech hanno sviluppato un nuovo algoritmo di controllo che consente a un singolo drone di allontanare un intero stormo di uccelli dallo spazio aereo di un aeroporto. L'algoritmo è presentato in uno studio in Transazioni IEEE sulla robotica .

Il progetto è stato ispirato dal 2009 "Miracolo sull'Hudson, " quando il volo US Airways 1549 colpì uno stormo di oche poco dopo il decollo e i piloti Chesley Sullenberger e Jeffrey Skiles furono costretti ad atterrare nel fiume Hudson al largo di Manhattan.

"I passeggeri del volo 1549 sono stati salvati solo perché i piloti erano così abili, "dice Soon-Jo Chung, professore associato di aerospaziale e Bren Scholar nella Divisione di Ingegneria e Scienze Applicate, nonché ricercatore scientifico del JPL, e l'investigatore principale del progetto di allevamento di droni. "Mi ha fatto pensare che la prossima volta potrebbe non avere un lieto fine. Così ho iniziato a cercare modi per proteggere lo spazio aereo dagli uccelli sfruttando le mie aree di ricerca in autonomia e robotica".

Le attuali strategie per il controllo dello spazio aereo includono la modifica dell'ambiente circostante per renderlo meno attraente per gli uccelli, usando falchi addestrati per spaventare gli stormi, o anche pilotare un drone per spaventare gli uccelli. Queste strategie possono essere costose o, nel caso del drone pilotato a mano, inaffidabili, dice Chung, che è ricercatore presso il Center for Autonomous Systems and Technologies di Caltech.

"Quando raduna gli uccelli lontano da uno spazio aereo, devi stare molto attento a come posizioni il tuo drone. Se è troppo lontano, non sposterà il gregge. E se si avvicina troppo, rischi di disperdere il gregge e renderlo del tutto incontrollabile. È difficile da fare con un drone pilotato".

La pastorizia si basa sulla capacità di gestire un gregge come un singolo, entità contenuta, mantenendola unita mentre ne cambia la direzione di marcia. Ogni uccello di uno stormo reagisce ai cambiamenti nel comportamento degli uccelli più vicini. Una pastorizia efficace richiede una minaccia esterna, in questo caso, il fuco - posizionarsi in modo tale da incoraggiare gli uccelli lungo il bordo di uno stormo a fare cambiamenti di rotta che poi colpiscono gli uccelli più vicini a loro, che colpiscono gli uccelli più avanti nel gregge, e così via, fino a quando l'intero gregge cambia rotta. Il posizionamento deve essere preciso, tuttavia:se la minaccia esterna si fa troppo zelante e si precipita al gregge, gli uccelli si faranno prendere dal panico e agiranno individualmente, non collettivamente.

Nel 2013, mentre era assistente professore all'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, Chung ha ricevuto un premio alla CARRIERA della National Science Foundation per affrontare il problema. Originariamente, Chung intendeva costruire una struttura autoguidata, robot svolazzante il cui volo imiterebbe quello di un falco, immaginando che il design bioispirato lo renderebbe ancora più efficace nel controllare gli stormi presentando loro una minaccia apparentemente naturale. Mentre il lavoro in quella direzione ha prodotto uno stile completamente nuovo di drone - il "Bat Bot" che Chung ha presentato nel 2017 - ha scoperto che un drone quadrirotore standard era altrettanto efficace nel radunare gli uccelli.

Per insegnare al drone a radunare autonomamente, Chung e i suoi colleghi, tra cui Aditya Paranjape dell'Imperial College di Londra, uno dei suoi ex studenti laureati, studiato e derivato un modello matematico delle dinamiche di floccaggio per descrivere come gli stormi costruiscono e mantengono le formazioni, come rispondono alle minacce ai margini del gregge, e come poi comunicano quella minaccia attraverso il gregge. Il loro lavoro migliora gli algoritmi progettati per l'allevamento delle pecore, che doveva lavorare solo in due dimensioni, invece di tre.

"Abbiamo studiato attentamente le dinamiche delle greggi e l'interazione tra greggi e inseguitori per sviluppare un algoritmo di pastorizia matematicamente valido che garantisca il trasferimento sicuro delle greggi utilizzando droni autonomi, "dice Kyunam Kim, borsista post-dottorato in aerospaziale al Caltech e coautore del documento IEEE.

Una volta che sono stati in grado di generare una descrizione matematica dei comportamenti di stormo, i ricercatori lo hanno decodificato per vedere esattamente come le minacce esterne in avvicinamento avrebbero risposto da stormi, e quindi ha utilizzato tali informazioni per creare un nuovo algoritmo di allevamento che produce percorsi di volo ideali per i droni in arrivo per allontanare lo stormo da uno spazio aereo protetto senza disperderlo.

"La mia ricerca precedente si è concentrata su navicelle spaziali e sciami di droni, che si è rivelato sorprendentemente rilevante per questo progetto, " Dice Chun.

Il team ha testato l'algoritmo su uno stormo di uccelli vicino a un campo in Corea e ha scoperto che un singolo drone potrebbe tenere uno stormo di dozzine di uccelli fuori da uno spazio aereo designato. L'efficacia dell'algoritmo è limitata solo dal numero e dalle dimensioni degli uccelli in arrivo, Chung dice, aggiungendo che il team prevede di esplorare modi per ampliare il progetto per più droni che si occupano di più stormi.