Sciami di minuscoli droni per localizzare l’origine di fughe di gas in ambienti complessi

Un team internazionale ha messo a punto il primo sciame di minuscoli droni in grado di individuare in modo autonomo le fonti di fughe di gas all'interno di spazi chiusi complessi.

TAKEAWAY

  • Tra gli utilizzi dei droni professionali, la localizzazione delle fughe di gas in ambienti indoor rappresenta una nuova tipologia di applicazione, in particolare per aree estese e complesse.
  • Una ricerca congiunta ha dato vita al primo sciame di minuscoli droni per la l’individuazione autonoma delle fonti dalle quali hanno origine le fughe gas.
  • Una delle sfide, nell’ambito del progetto, ha riguardato lo sviluppo di un sistema di intelligenza artificiale che, a bordo dei minuscoli aeromobili, potesse adattarsi ai loro stretti vincoli computazionali e di memoria.

L’utilizzo di droni professionali per fughe di gas in luoghi chiusi va a inserirsi nel novero di quelle che, ad oggi, sono le applicazioni dei Sistemi Aeromobili a Pilotaggio Remoto (SAPR) – come li definisce l’ENAC – Ente Nazionale per l’Aviazione Civile per distinguerli dai droni ad uso ludico/ricreativo – e che comprendono, tra le altre, la sicurezza del territorio, il monitoraggio ambientale, il supporto alle attività agricole, il tele-rilevamento, operazioni di ricerca e di soccorso in collaborazione con la Protezione Civile e operazioni anticrimine in collaborazione con le Forze dell’Ordine.

Un team internazionale – composto dai ricercatori dell’Università TU Delft, in Olanda, dell’Università di Barcellona e dell’Università di Harvard, nel Massachusetts – ha messo a punto il primo sciame composto da minuscoli droni in grado di localizzare autonomamente le fonti di fughe gas in ambienti interni. Vediamo come ha lavorato il gruppo di studio e a quali risultati è giunto.

Droni professionali e fughe di gas: perché la scelta delle dimensioni minuscole e perché gli “sciami”?

La localizzazione delle fughe di gas da parte di singoli robot che si muovono nell’ambiente è un compito complesso” spiega il team. E questo perché gli attuali rilevatori di gas spesso non sono tarati per le piccole quantità, né sono sufficientemente sensibili ai rapidi cambiamenti della concentrazione di gas in vari punti dell’ambiente. Inoltre, spesso è l’ambiente stesso a essere complesso.

Tutti fattori che hanno contribuito a far sì che, finora, la gran parte degli studi in quest’area si concentrassero su singoli robot alla ricerca di fughe gas in ambienti piuttosto piccoli e privi di ostacoli all’interno, in cui la fonte è semplice da individuare.

Per le applicazioni in contesti diversi, dagli spazi più estesi e dai soffitti più alti, siamo convinti che la strada percorribile sia rappresentata dagli sciami di minuscoli droni anziché da singoli dispositivi robotici a terra

sostiene Guido de Croon, professore presso il Micro Air Vehicle Laboratory dell’Università TU Delft. Ma per quale motivo la scelta di droni professionali per fughe di gas e, in aggiunta, dalle “dimensioni minuscole” e in sciami?

Innanzitutto – spiega il docente – un sistema aeromobile, rispetto a un sistema robotico a terra, offre uno strumento di perlustrazione che sfrutta le tre dimensioni, risultando così più performante ed efficiente nella localizzazione.

Poi, le dimensioni minuscole, oltre e renderli dispositivi sicuri per le persone e i beni materiali presenti nell’ambiente, consentono loro di introdursi agilmente in piccole porzioni di aree dei locali. Infine, poter contare su uno “sciame” significa poter individuare la fonte (o le fonti) della fuga di gas più rapidamente, fuggendo dai punti di massima concentrazione di gas per andare a scovare la vera origine.

Optando per dimensioni minuscole dell’aeromobile, il rovescio della medaglia sta nella difficoltà a sviluppare un “cervello” altrettanto minuscolo e dall’intelligenza necessaria a far sì che la macchina localizzi in autonomia i punti esatti dai quali ha origine la fuga di gas nei locali.

Operazioni quali il rilevamento del gas e l’elaborazione di tale segnale a bordo, proprio a causa delle dimensioni ridotte, diventano estremamente limitate, escludendo la possibilità di ricorrere allo sviluppo di algoritmi di intelligenza artificiale come quelli utilizzati per le auto a guida autonoma.

Con l’aggiunta che operare in gruppo, in “sciame”, comporta le sue sfide, tra cui la percezione della presenza degli altri droni nello spazio circostante, onde evitare collisioni e poter collaborare all’esecuzione del compito di perlustrazione dell’ambiente.

A bordo dei droni, un algoritmo AI modellato sul comportamento sociale e il movimento degli stormi di uccelli

Dunque, nell’ambito di questo progetto di ricerca che vede al centro droni professionali per fughe di gas, la prima sfida ha riguardato lo sviluppo di un sistema di intelligenza artificiale che potesse adattarsi agli stretti vincoli computazionali e di memoria dei minuscoli sistemi aeromobili.

In realtà, in natura ci sono ampi esempi di navigazione con localizzazione della fonte dell’odore entro rigorosi vincoli di risorse” afferma il team. E aggiunge:

Pensiamo solo a come i moscerini della frutta, con i loro minuscoli cervelli di circa 100.000 neuroni, localizzano infallibilmente i propri bersagli. E lo fanno combinando elegantemente comportamenti semplici come volare controvento o ortogonalmente al vento, a seconda della direzione rispetto alla quale percepiscano l’odore. Sebbene non siamo stati in grado di replicare tali comportamenti nei droni, siamo però riusciti a instillare i queste macchine comportamenti altrettanto semplici per affrontare il compito, ossia percepire in autonomia l’odore del gas e identificare sua fonte

Nel dettaglio, l’algoritmo implementato per la navigazione dei minuscoli droni – chiamato “Sniffy Bug” – funziona in questo modo: finché nessun drone all’interno dello sciame rileva odore di gas, tutti i droni si espandono il più possibile nell’ambiente, evitando gli ostacoli ed evitando di urtarsi l’un l’altro; nel momento in cui uno solo dei droni, a partire dalla sua posizione, rileva il gas, lo comunica agli altri. Da quel punto in poi, i droni collaborano tra loro per trovare l’origine della fuga di gas il prima possibile.

Nello specifico, lo sciame esegue una ricerca della concentrazione massima di gas grazie a un algoritmo chiamato “Ottimizzazione con Sciami di Particelle” – detto anche Particle Swarm Otimization (PSO) – originariamente modellato sul comportamento sociale e il movimento degli stormi di uccelli. Il che significa che ogni drone si muove in base alla più elevata concentrazione di gas percepita, alla posizione più alta dello sciame e alla sua direzione di movimento.

Droni professionali e fughe di gas: c’è ancora tanto da lavorare

Questa ricerca in tema di droni professionali per fughe di gas mostra come sciami di minuscoli sistemi aeromobili siano in grado di svolgere compiti molto complessi” osserva Guido de Croon, auspicando che questo lavoro possa essere di ispirazione per altri ricercatori di robotica, affinché proseguano – per affinarlo – nello studio del sistema di intelligenza artificiale più idoneo al volo autonomo.

In generale, questo specifico filone di studi richiede ancora molto lavoro. Ad esempio – fa notare il professore – la ricerca attuale non affronta ancora lo spostamento dei droni su tre dimensioni per localizzare le fonti di gas in altezza.

Inoltre, anche la “robustezza” della navigazione dovrebbe essere migliorata, prima di pensare di schierare gli sciami di droni in uno scenario di emergenza reale. Tuttavia, lo studio appena descritto promette risvolti interessanti.

Gli algoritmi sviluppati non sono utili solo per rilevare fughe di gas all’interno di edifici, ma – conclude – tra le future applicazioni potrebbero esservi anche le missioni scientifiche come, ad esempio, il rilevamento di metano su Marte oppure il rilevamento della presenza di parassiti nelle serre. Solo per citarne alcune.

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Paola Cozzi
Giornalista dal solido background acquisito lavorando presso i più prestigiosi Editori italiani | Ventidue anni di esperienza nello sviluppo di prodotti editoriali b2b, cartacei e digitali | Vent'anni alla direzione di una testata b2b in tema di Sicurezza anticrimine di tipo fisico | Attualmente si dedica al Giornalismo Digitale ed esplora nuove tecniche e nuovi stili di comunicazione
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