Onderzoekers van Stanford University zijn er met behulp van drones en AI in geslaagd accuraat aantallen penguins te tellen in het zuidpoolgebied. Uniek is dat het gaat om een project met meerdere drones, waardoor het in kaart brengen veel sneller gaat dan met een enkele drone. Bovendien is deze methode milieuvriendelijker dan de oude methode met helicopters.
Stanford University-onderzoeker Mac Schwager betrad de wereld van het tellen van pinguïns tijdens een toevallige ontmoeting op de bruiloft van zijn schoonzus in juni 2016. Daar ontdekte hij dat Annie Schmidt, een bioloog bij Point Blue Conservation Science, een betere manier zocht om een beeld te krijgen een grote pinguïnkolonie op Antarctica. Schwager, assistent-professor luchtvaart en ruimtevaart, zag een kans om samen te werken, gezien zijn werk bij het beheersen van zwermen autonoom vliegende robots.
Zo bevond zich drieënhalf jaar later de afgestudeerde student van Schwager, Kunal Shah, op het beroemde McMurdo Station, klaar voor de eerste Antarctische testvlucht van hun nieuwe multi-drone-beeldvormingssysteem, dat de vlucht van meerdere high-end autonome drones – maar kan ook werken met hobby-drones.
Koud
Het project kende geen gunstige start. “Mijn handen waren ijskoud. De batterijen van de drone waren te koud om te werken. De afstandsbediening van de drone was te koud. Mijn telefoon was te koud en er flitste waarschuwingen”, herinnert Shah zich. ‘Ik dacht gewoon:’ Ik ben hier voor tweeënhalve maand en dit is de eerste dag. ‘?’
Onverschrokken pasten Shah en zijn collega’s zich snel aan en hun systeem, dat het onderwerp is van een paper dat op 28 oktober in Science Robotics is gepubliceerd, produceerde herhaaldelijk gedetailleerde visuele onderzoeken van ongeveer 300.000 nestelende paren Adélie-pinguïns over een gebied van 2 vierkante kilometer bij Kaap. Crozier – ongeveer gelijk aan de grootte van het land van Monaco – en een andere kleinere kolonie van ongeveer 3.000 broedparen bij Kaap Royds. Terwijl eerdere door mensen bestuurde drone-onderzoeken van de Cape Crozier-kolonie twee dagen in beslag namen, werd elke ronde van het nieuwe onderzoek, voltooid in samenwerking met de National Science Foundation (NSF) en het US Antarctic Programme (USAP), in ongeveer twee en een half uur voltooid. -half uur, dankzij een routeplanningsalgoritme dat twee tot vier autonome drones coördineerde en prioriteit gaf aan efficiënte dekking van de kolonie.
Locatie
“Gewoon al die apparatuur naar een afgelegen locatie verplaatsen en in staat zijn om het voor te bereiden, te bewerken en in te zetten met niets anders dan tenten en een kleine verwarmingscabine tot je beschikking, dat is echt fenomenaal”, zegt Schwager, die senior auteur is. van de krant, maar kon tot zijn teleurstelling niet bij het veldteam komen. “Het laat echt zien hoe praktisch autonome robotsystemen kunnen zijn in afgelegen omgevingen.”
Er zijn al eerder luchtonderzoeken van pinguïnkolonies uitgevoerd, meestal met helikopters of een enkele drone. De helikoptermethode levert een geweldige beeldkwaliteit op, maar is duur, brandstofonefficiënt en kan de vogels storen. De single drone survey is tijdrovend en – omdat de drones moeten worden gelanceerd vanaf een veilige afstand, ongeveer vijf kilometer (drie mijl) van de kolonie – moeilijk te navigeren. Een andere tekortkoming van drones is dat ze naar, over en terug van de kolonie moeten vliegen met slechts 12-15 minuten batterijduur. De voortdurende dreiging van plotselinge veranderingen in vliegomstandigheden vergroot het belang van een snelle survey.
Het gebruik van meerdere drones omzeilt deze uitdagingen en werd mogelijk gemaakt door een uniek algoritme voor routeplanning dat is ontwikkeld door de onderzoekers van Stanford. Gegeven een onderzoeksruimte, verdeelde het algoritme de ruimte, wees bestemmingspunten toe aan elke drone en bedacht hoe de drones op de meest efficiënte manier door die punten konden worden verplaatst, waardoor het teruglopen en overtollig reizen werd beperkt. Een cruciale aanvullende vereiste was dat elke drone de ruimte verlaat op dezelfde plaats als waar hij binnenkwam, wat kostbare vliegtijd bespaart. Het algoritme handhaafde ook een veilige, constante afstand tot de grond ondanks de hoogteverschillen en had een instelbaar beeldoverlappingspercentage om een volledig onderzoek te verzekeren. In tegenstelling tot de heen-en-weer-actie van een robotvacuüm, beschreef Schwager de paden van het algoritme als ‘organisch en spinachtig’.
“Het proces verliep snel. Wat de dag ervoor alleen de kronkels van het algoritme op een scherm waren, veranderde in een enorm beeld van alle pinguïns in de koloniën”, zegt Shah, de hoofdauteur van het artikel. “We konden mensen rond de koloniën zien lopen en alle individuele vogels die nestelden en van en naar de oceaan kwamen. Het was ongelooflijk.”
Ogen in de lucht
De onderzoekers voorzien andere toepassingen voor hun multi-dronesysteem, zoals verkeersmonitoring en het volgen van bosbranden. Ze hebben al tests uitgevoerd in een aantal verschillende omgevingen. Ze zijn over een grote boerderij in Marin, Californië gevlogen om de vegetatie te beoordelen die beschikbaar is voor het grazen van vee. Ze namen ook hun drones mee naar Mono Lake in de buurt van de grens tussen Californië en Nevada om de Californische meeuwenpopulatie te onderzoeken die bij Paoha Island in het midden van het meer leeft. Net als Antarctica had de Mono Lake-test zijn eigen uitdagingen – de vogels waren kleiner, de onderzoekers moesten naar de locatie varen voordat de drones werden losgelaten en er was een risico om drones in het water te verliezen (wat gelukkig niet gebeurde) .
Van hun kant blijven de pinguïnbiologen gefocust op het meten van populatiegrootte, geboortecijfers en nestdichtheid en zullen dit jaar een tweede ronde van pinguïnobservaties uitvoeren. Vanwege de pandemie staat het Point Blue Conservation Science-team deze keer echter alleen.
Nadenkend over het grote geheel – in figuurlijke zin – hopen de onderzoekers dat hun systeem als bewijs staat voor het positieve potentieel van autonome robots en systemen.
“Mensen zouden nooit in de lucht kunnen springen en 300.000 pinguïns kunnen tellen of een bosbrand kunnen opsporen”, zei Schwager. “Ik denk dat teams van autonome robots echt krachtig kunnen zijn om ons te helpen onze veranderende wereld, onze veranderende omgeving, te beheren op een schaal die we voorheen nooit konden.”
Beeld: De Adélie penguin kolonie op Cape Crozier. Foto Parker Levinson
