Mierenkennis leidt tot doorbraak in robotnavigatie

Stappen tellen en visuele broodkruimels

Om deze uitdaging aan te gaan, besloten onderzoekers van de TU Delft zich tot de natuur te wenden. Insecten zijn bijzonder interessant omdat ze zich met zeer beperkte sensoren en rekenkracht over afstanden verplaatsen die voor veel praktische toepassingen relevant kunnen zijn. Biologen begrijpen steeds meer insectenstrategieën. Ze leerden dat insecten hun eigen bewegingen volgen, ook wel odometrie genoemd, en deze combineren met visueel gecontroleerd gedrag op basis van herkenning van de omgeving. Hoewel odometrie steeds beter wordt begrepen, zelfs tot op neuraal niveau, zijn de exacte mechanismen die ten grondslag liggen aan visueel geleid gedrag nog steeds niet volledig begrepen. Er zijn echter verschillende concurrerende theorieën over hoe insecten hun visie gebruiken om zich te oriënteren. Eén van de eerste theorieën gaat uit van een model gebaseerd op momentopnamenof visuele momentopnamen. Volgens dit model maakt een mier bijvoorbeeld periodiek foto’s van zijn omgeving. Later, wanneer de mier dezelfde plek opnieuw nadert, vergelijkt hij zijn huidige omgeving met de momentopname en beweegt totdat de verschillen minimaal zijn. Hierdoor kan de mier als het ware de weg terug vinden naar een momentopname. thuiskomen en gaat tegelijkertijd de onvermijdelijke positionele drift tegen die gepaard gaat met odometrie.

“Op foto’s gebaseerde navigatie kun je het beste uitleggen aan de hand van het sprookje van Hans en Grietje. Toen Hans zijn pad volgde met kiezelstenen, vond hij altijd gemakkelijk de weg terug. Maar toen hij broodkruimels gebruikte, aten de vogels ze meteen op, waardoor hij dat veroorzaakte. en Gretel verloren gaan. Onze kiekjes kun je het beste vergelijken met die steentjes’, legt hoofdauteur Tom van Dijk uit. “Een snapshot werkt alleen als de robot dichtbij genoeg is. Als de visuele omgeving te veel afwijkt van de snapshot, kan de robot de verkeerde kant op gaan en mogelijk voor altijd verdwalen. Daarom is het belangrijk om voldoende snapshots te maken. Als Hans dat maar heeft gedaan één of twee stenen laten vallen, je had nooit thuis kunnen komen. Aan de andere kant, als je te veel stenen laat vallen, heb je binnen korte tijd geen stenen meer. Met een robot nemen al die momentopnamen het al in beslag schaars geheugen “Ze zaten vaak heel dicht bij elkaar, waardoor de robot eerst visueel naar de ene momentopname navigeerde en dan meteen naar de volgende, wat nog steeds veel geheugen in beslag nam.”

“Het kernidee achter onze strategie is dat snapshots veel verder uit elkaar geplaatst kunnen worden als de robot odometrie tussen de snapshots gebruikt”, zegt Guido de Croon, hoogleraar bio-geïnspireerde drones en co-auteur van het artikel. “Het begeleiden werkt zolang de robot maar dicht genoeg bij de snapshotlocatie komt, dat wil zeggen zolang de odometrische afwijking van de robot binnen die van de snapshot ligt. Hierdoor kan de robot veel minder snapshots maken. Daarnaast kan het ook.” Ze vliegen veel verder, omdat robots die naar doelen zoeken veel langzamer vliegen dan wanneer ze odometrie gebruiken om opeenvolgende snapshots te maken.”

De voorgestelde op insecten geïnspireerde navigatiestrategie maakte het mogelijk dat een “CrazyFlie” -drone van 56 gram, uitgerust met een omnidirectionele camera, afstanden tot 100 meter kon overbruggen met slechts 1,16 KB geheugen. Alle berekeningen werden gedaan op een kleine computer die een ‘microcontroller’ wordt genoemd en die in veel goedkope elektronische apparaten wordt aangetroffen.