Swarming, aneb co dokáží roje dronů?

Základy na úrovni dronu-jednotlivce

Vezmeme-li to od základu, tak si při vyslovení pojmu „dron“ většina lidí představí dálkově řízený „pohyblivý objekt“. V principu je jedno, zda se bude jednat o člun, autíčko, vrtulník, multikoptéru, nebo třeba větší vojenské bezpilotní letadlo. Podstatné je, že jako dron vnímáme určitý dálkově řízený stroj, který ovládá konkrétní člověk, pilot, nebo přesněji operátor.

Půjdeme-li v daném tématu o kousek dál, budeme-li dostatečně věci znalí, třeba v tématu bezpilotních letounů, snadno si uvědomíme, že ono spojení s pilotem (operátorem) není dnes vždy nezbytně nutné. Vždyť i poměrně dostupné hobby drony dnes disponují řadou senzorů pro detekci překážek, které lze vnímat jako výchozí podmínku pro vstup do světa automatických letových funkcí nebo možností programovat dráhu letu.

O další stupínek dál a výš se nacházejí možnosti částečně autonomního (semi-autonomního), či plně autonomního létání. Tedy situace, kdy se dronu zadá určitý úkol a on jej splní zcela samostatně bez zásahu člověka. Obvykle třeba jen s dozorem lidského operátora.

Důvod, proč se přitom zabýváme těmito značně obecnými situacemi a pojmy, je poměrně prostý. Bez jejich znalosti, či alespoň obecném povědomí o možnostech ovládání či „neovládání“ pohybu jednotlivých dronů, by se poměrně těžko chápalo, jak může fungovat roj, skupina, případně smečka dronů.

Roje dronů – jak a proč?

Už jen možnosti jednoho dronu, či několika málo kusů provozovaných díky dokonalé souhře jejich pilotů, třeba při natáčení reality show (viz náš rozhovor s Tomášem Zástěrou – účastník Survivoru), jsou více než pestré. Pokud se ale drony spojí do centralizovaných, nebo naopak decentralizovaných rojů, lze potenciál jejich využití dále násobit už jen třeba na základě klasického rčení „víc očí, víc vidí!“ V našem případě více kamer, více senzorů, více čidel nebo světélek.

Cesty k „rojování“ či „rojovému létání“ ale nejsou zdaleka tak snadné, jak by se mohlo zdát. Nestačí postavit více dronů na startovací plochu a pak čekat, co se bude dít. V případě jednoho kusu, jednoho dronu, nebo několika málo exemplářů si bez problému vystačíme s lidskými operátory. Pokud ale dojde na rojové létání (swarming), neobejdeme se bez precizního řízení, důsledného plánování, automatizace, nebo ještě lépe autonomie.

Rojové létání, či ovládání rojů lze proto rozdělit na 2 hlavní kategorie:

• Jednu z nich krásně demonstrují v poslední době stále populárnější světelné show s drony, kdy se ve vzduchu synchronizovaně pohybují stovky i tisíce dronů. V tomto případě se jedná o automatizované létání, kdy má každý jednotlivý dron dopředu jasně naprogramovanou trajektorii a konkrétní úkol (svítit, blikat, spustit ohňostroj).
• Druhou variantou, jak dosáhnout rojového pohybu dronů, je pomocí pokročilých algoritmů na úrovni neuronových sítí. Jejich účinnost a spolehlivost přitom závisí na celé řadě senzorů, čidel, a hlavně na výkonné výpočetní technice. V takovýchto případech hovoříme o plně autonomním pohybu roje dronů, či semiautonomním, dle zadání a provedení.

Automatické, programově řízené roje dronů

Jak už zaznělo, nejlepším příkladem programově řízeného pohybu roje dronů jsou stále častější světelné show. V rámci nich se najednou do vzduchu vznese početná skupina dronů, od pár desítek klidně až po tisíce kusů. Všechny tyto drony jsou přitom centrálně řízené, přesněji dopředu detailně naprogramované. Je to vlastně podobné, jako když vytváříte letový plán pro svůj jednotlivý dron, „pouze“ je to potřeba udělat synchronně pro předem stanovený počet strojů.

K přípravě takovéhoto mnohonásobného letového plánu se dnes používají speciální programy, konkrétně třeba Drone Show Software, který je dostupný i u nás DronPro. K realizaci droní show nejsou bezpodmínečně nutné speciální, pro daný účel konstruované drony, lze využít i vybrané běžně dostupné modely. Každopádně specializace se nevyhýbá ani tomuto oboru.

Jak dostat do vzduchu až 1000 dronů najednou? Pomůže Dron Show Software

Díky práci s rojem dronů, kontrolovaným pomocí sofistikovaného programu, můžete vytvářet vskutku unikátní a dechberoucí světelná představení. Člověk těchto možností neznalý by si možná představil relativně jednoduché statické obrazce, i ty se samozřejmě využívají. S pokrokem techniky, softwaru i dronů samotných se ale otevírají stále nové možnosti. Různé pohybující se a měnící se objekty, dynamické struktury, obrazce nejen plošné, ale v 3D provedení. Možností je neomezeně a limitem je často pouze fantazie tvůrců.

3 281 koordinovaně létajících dronů pokořilo pouze rok starý světový rekord (zapsáno v Guinnessově knize rekordů, rok 2021)

Programově řízený pohyb roje dronů – technické podmínky

Probíraná světelná představení využívající početné roje dronů jsou určitě zajímavou podívanou, která možná časem nahradí velké ohňostroje, nebo je naopak rozšíří o další prvek, další rozměr. Jedním z příkladů může být velkolepá světelná show, kterou využila značka KIA pro představení svého nového loga, zachycená v následujícím videu (leden 2021)

Světelná show představující nové logo automobilky KIA

Realizace světelných show za využití roje dronů je dnes, i díky nástrojům jako je Dron Show Software, jednodušší než kdy dříve, stále to ale není triviální záležitost. K řízení celého roje sice stačí jeden dostatečně výkonný počítač, který nahraje přesný letový plán do každého jednoho dronu, tím to ale nekončí.

K realizaci takového představení potřebujete navíc dostatečně výkonné lokální Wi-Fi připojení pro komunikaci s rojem a také RTK výbavu, pomocí níž lze výrazně zpřesnit určování polohy vycházející z technologie GPS a dalších satelitních navigačních systémů. Už jen proto, aby se drony nesrazily, jelikož se pohybují blízko sebe.

Programově řízený pohyb roje dronů – limity

Logickým omezením celého oboru programově řízeného ovládání roje dronů je skutečnost, že musí vše fungovat a vše musí být dopředu přesně připravené a dokonale promyšlené. Každá položka, každý dron má pro každou sekundu daného představení své jasné souřadnice, svůj konkrétní úkol!

Přesné řízení je sice klíčem k úspěchu, ale také zásadním omezením. Pokud jeden stroj vypoví službu, může ohrozit celý roj, své nejbližší okolí, nebo jen pokazí show. I v případě, kdy je možné převzít manuálně kontrolu nad jedním „neposlušným“ kusem, se situace dost komplikuje, jelikož zbytek roje nedokáže samostatně reagovat, maximálně se zastaví a na příkaz hlavního operátora se kupříkladu vrátí zpět a přistane.

Pomocí programově řízeného roje dronů tak lze uspořádat opakovaně připomínaná světelná představení, mnoho dalších praktických způsobů využití ale tento systém nenabízí. I když jak se to vezme. Programově řízený roj byste mohli využít kupříkladu pro snímkování pole, tedy v případě, že by jeden dron nestačil. Výsledek by ale opět záležel na precizní přípravě a bezchybné realizaci.

Pokud by třeba jeden dron nevystartoval, chyběl by v souhrnu jeho záznam, který by poté musel být pokryt samostatně, manuálně, či nahráním letového plánu do vybraného záložního stroje. Musel by to řešit člověk! Tento způsob řízení roje dronů má zkrátka jednoznačné limity, které se však snaží kompenzovat výzkum plně či částečně autonomního ovládání roje dronů.

Autonomně řízený roj dronů – základy a využití

Přechodem k autonomnímu ovládání roje dronů se skokem posouváme do zcela jiné úrovně. Jak je programově řízené rojování stále mladým a průběžně se vyvíjejícím oborem, pak je autonomní kontrola roje disciplínou, o niž se sice mluví již řadu let, stále je ale vlastně v plenkách. Toto konstatování platí i přesto, že má autonomní ovládání roje dronů za sebou nejeden praktický úspěch, alespoň v rámci výzkumných skupin, a to včetně českých.

Praktické cíle a možnosti využití autonomně řízených rojů dronů jsou přitom až nepředstavitelně pestré. Jako výchozí model a ideální demonstraci rozdílu programově řízeného a autonomního roje lze využít výše zmíněný příklad se skenováním pole. Kupříkladu multispektrální kamerou. Už jsme si popsali, co se stane, pokud by v programově řízeném roji jeden kus vypadl. Někdo to za něj bude muset dodělat, vyřešit. Někdo, myšleno „člověk!“

V případě autonomního roje by ale taková situace neměla nikdy nastat. Tady totiž celý proces funguje tak, že se příkaz zadává celému roji, či jeho globálnímu řídícímu systému. Následná „distribuce práce“ je již na řídicím algoritmu (umělé inteligenci, neuronové síti), či na komunikaci dronů mezi sebou. Postup by měl být takový, že operátor zadá do systému obecný příkaz – Naskenovat plochu na těchto souřadnicích –, následně zmáčkne tlačítko „START“ a o víc se nestará.

Drony vědí jeden o druhém, znají svoji vzájemnou polohu, průběžně mohou kontrolovat, zda vše funguje dle plánu, a pokud ne, pak výpadek samy nahradí. Kupříkladu jeden dron zůstane na zemi, roj na úrovni celku zjistí tento výpadek a danou mezeru v prostoru automaticky vyplní. Lidský operátor proto může jen sedět, sledovat „autonomní nebeský tanec“ a čekat, až se roj vrátí a předá mu kompletní požadovaná data.

Autonomně řízený roj dronů – základní výzkum a pomalé krůčky vpřed

Výše popsaný scénář není vysloveně nereálný, je to možný příklad využití rojů a jejich budoucího vývoje, zatím k němu ale máme poměrně daleko. Jak vyplývá například z rozhovoru s Ing. Tomášem Báčou Ph.D, který je součástí našeho aktuálního videa o poslední akci kluků z ČVUT (níže), k tomuto stavu se dobereme někdy v horizontu 5–10 let. Alespoň v rámci optimistického scénáře.

Autonomní roj dronů – experimentální výzkum v praxi feat. ČVUT FEL

Pokud si pustíte výše uvedené video, zjistíte, že vývoj v oblasti autonomního řízení roje dronů rozhodně nespí, či nepřešlapuje na mrtvém bodě, zároveň je vše stále vlastně na začátku. Ve vzpomínaném Alexově videu Tomáš Báča vysvětluje, že se, nejen on a jeho tým, zatím stále věnují hlavně základnímu výzkumu. Tedy základním možnostem, omezením a pravidlům autonomního pohybu roje dronů.

Je rozhodně zajímavé sledovat kupříkladu situaci, či technologii používanou v rámci projektů party z ČVUT, kdy má každý dron na sobě sadu UV diod a zároveň i UV kamery. Díky této výbavě o sobě drony navzájem vědí, znají svoji polohu a umí tedy pracovat jako celek, jako roj. Ostatně, dostaneme-li se k podstatě všeho, cílem základního výzkumu je v zásadě snaha pochopit a napodobit skupinové chování zvířat.

Stačí se rozhlédnout kolem sebe, příkladů je všude poměrně dost. Roj je výraz, který používáme nejčastěji v případě hmyzu, který se dokáže pohybovat jako jeden synchronizovaný celek. Ve vzduchu se jako roj, tedy spíše hejno, pohybuje řada druhů ptactva. Podobné je to pod vodou, kde vybrané druhy ryb rovněž s oblibou využívají sílu a velikost početného hejna. Takovéto hejno ptáků nebo ryb reaguje obvykle díky vzájemné spolupráci jako jeden celek, aniž by zde existoval jeden centrální řídící prvek.

Aktuální úroveň autonomního řízení roje dronů

Opakovaně připomínané Alexovo video z akce kluků z ČVUT (FEL) krásně demonstruje, kde se aktuálně nachází vývoj autonomního řízení dronů. Alespoň to civilní. Za úspěch kluci považují, když se roji dronů, bez zásahu člověka, povede zdánlivě prostý úkol, přesun z bodu A do bodu B nad nerovným terénem.

Zajímavé je také podívat se, jaké výzvy a problémy řešili „naši kluci“ z ČVUT před dvěma lety. Tehdy bylo jedním z cílů podobného praktického cvičení zajistit, aby se roj čítající čtyři drony dokázal proplést lesem, aniž by došlo k nechtěnému karambolu – srážce dronů, nebo srážce s překážkou.

Létání s dronem: BUDOUCNOST DRONŮ - roj 24 autonomních dronů feat. ČVUT FEL

Zmíněná mise byla tehdy úspěšně splněna, drony proletěly mezi stromy a dostaly se na místo určení. Jsme sice patrioti a snažíme se vyzdvihnout práci a pokroky domácích vědců, navíc našich přátel, upozornit ale můžeme i na fakt, že podobné úlohy se snaží splnit i jiné vědecké týmy různě po světě. Příkladem může být roj 10 malých dronů pohybujících se skrz hustý bambusový les na dalším videu.

Roj dronů v hustém lese létá pomocí nového algoritmu

K čemu bude možné využít autonomně řízené roje dronů?

O budoucí možnosti praktického využití více či méně autonomně řízených rojů dronů jsme se zatím vlastně jen zlehka otřeli. Vše je stále spíše ve fázi úvah, obecných plánů a deklarací jednotlivých vývojových týmů. Navíc řada praktických způsobů využití samostatného rojového létání se jistě nejspíš ještě objeví.

Každopádně zkusme zmínit alespoň pár příkladů. O skenování pole již byla řeč. V rámci mezinárodního robotického klání MBZIRC, kde slavil úspěchy i český tým, drony kupříkladu měly za úkol postavit zeď (skládat cihly), nebo hasit požár v těžko přístupné výškové budově. Byli jsme u toho, tak mrkněte na atmošku soutěže v Abú Dhábí.

Autonomní roj dronů může kupříkladu pomoci při pátrání po ztracených osobách v hůře přístupném terénu, může monitorovat přírodní parky, hlídat ohrožená zvířata. Mohl by třeba pomoci hledat skrytá ohniska při lesních požárech, jako se objevil v Hřensku. Drony v roji mohou být vybaveny různými senzory, měřit radiaci poblíž poškozené jaderné elektrárny (nebudu nic přivolávat :-), měřit úniky chemikálií, aniž by se do tohoto nebezpečného prostředí museli vydávat přímo lidé. Možností je skutečně celá řada a řada se jich časem jistě ještě objeví.

Vojenské využití rojů a vlčí smečka

Nikoliv nepodstatnou „vývojovou větev“ představuje armádní využití rojů výzvědných či bojových dronů. Zde se přitom vlastně příliš neví, jak daleko v této oblasti již vývoj pokročil. Na rozdíl od vědeckých týmů, jako je ten z ČVUT, se armáda svými úspěchy na poli vývoje různých pokročilých technologií jen nerada veřejně chlubí. Vedle řady jiného mě však zaujala jedna informace o takzvaných vlčích smečkách.

V principu jde o převážně autonomní rojové řízení dronů, kdy se dopředu zformuje několik droních letek. V příkladu, který jsem našel, to byly 4 letky – čtyři smečky, po sedmi dronech. Každou smečku ovládal jeden pilot, či spíše operátor, a to na úrovni celku, nikoliv jednotlivé drony samostatně. Představil bych si to tak, že operátor zadával obecné příkazy a vlčí smečka je následně plnila. „Zkontroluj tuto budovu“ – „Přesuň se na tyto souřadnice“ – „Zapni termokameru“ a podobně.

Více vlčích smeček bylo přitom vypuštěno zcela záměrně. První vlna byla primárně průzkumná – mapovala terén, druhá měla za úkol především rozptýlit pozornost nepřítele. Třetí, řekněme bojová vlna, útočila na cíl, plnila misi a čtvrtá sloužila k následnému vyhodnocení celého zásahu.

Skupinky menších, poměrně levných, snadno ovladatelných a pro nepřítele těžko zachytitelných dronů, respektive jejich roje, mají pro armádu velký potenciál. Třeba i z důvodu, že když se z mise vrátí jen polovina letounů, stále to může znamenat splněný úkol, naopak sestřelit všechny může být pro nepřítele jen těžko proveditelné.

Jak daleko přitom už tyto vojenské technologie pokročily, se zatím veřejně neví. Můžeme každopádně jen doufat, že budou vykonávat užitečné funkce a nedostaneme se třeba do stavu, jako v řadě sci-fi filmů či románů, kdy nás autonomní drony budou provázet a „šmírovat“ na každém kroku. Pokročilé technologie samy od sebe zlé nejsou, přejme si každopádně více praktických a obecně přínosných aplikací rojového létání dronů a méně těch mrazivě špionážních.

👋✈ #LetuZdar

Štěpán