Virtueel veertje houdt robots in formatie

Een virtueel veertje dat bestaat uit wiskundige algoritmes kan robots in formatie laten samenwerken. De eerste toepassing ligt in de besturing van een robot voor dijkbewaking, maar het veertje kan ook satellieten in formatie laten vliegen. Promovendus Ewoud Vos van het Engineering and Technology Institute Groningen (ENTEG) en het Johann Bernoulli Institute for Mathematics and Computer Science (JBI) beschrijft de ontwikkeling van de algoritmes in het proefschrift. Hij gaat daarop 20 februari promoveren aan de Rijksuniversiteit Groningen.

Hoe kun je de 17.000 kilometer aan dijken in Nederland inspecteren, liefst ook van binnen? Menselijke inspecteurs zien veel, maar niet wat zich onder de oppervlakte van de dijken afspeelt. Robots met de juiste sensoren kunnen dat wel. Die zouden dan liefst helemaal zelfstandig in formatie langs een dijk moeten gaan om metingen te verrichten.

Zelf herstellen

Dat was het basisidee waarmee technisch bedrijfskundige Ewoud Vos in 2010 van start ging. Een collega-promovendus aan de Universiteit Twente ging de robot bouwen, Vos ontwierp de wiskunde die het brein moest vormen. ‘We wilden een systeem zonder centrale aansturing. Iedere robot communiceert alleen met z’n directe buren. En bij verstoringen of uitval moeten ze de formatie zelf kunnen herstellen’, legt Vos uit.

Zwerm robotjes

Deze beschrijving hoort bij een multi agent systeem: een zwerm robotjes die samenwerken. De besturing van multi agent systemen is sinds een jaar of tien serieus onderwerp van onderzoek. Voor de besturing worden de robots doorgaans versimpeld voorgesteld als lineaire systemen of punten. ‘Maar in werkelijkheid zijn die systemen veel complexer en niet-lineair’, legt Vos uit. Een robotwagen met wielen kan bijvoorbeeld niet zijwaarts bewegen. Een versimpeld model heeft dat niet in de gaten, zodat de robot in de praktijk vast kan lopen.

Virtuele veer

De wiskundige benadering die Vos gebruikt is het zogeheten poort-Hamiltons kader, waarin hij de afstand tussen de verschillende robotjes kon regelen met behulp van een fysische structuur, in dit geval een (virtuele) veer. Wanneer robots te dicht bij elkaar staan, drukken veren ze uit elkaar; wanneer robots te ver uit elkaar staan, trekken veren ze naar elkaar toe.

Versimpelen

Om de wiskundige algoritmes die de veren beschrijven te kunnen toepassen blijkt het niet nodig de robotmodellen sterk te versimpelen. Bovendien lukte het Vos om, met behulp van de kracht die de virtuele veren uitoefenen op de robots, wiskundig te bewijzen dat zijn besturingssysteem niet kan ontsporen. ‘Bij andere besturingssystemen is dat vaak lastig, daar kan het alleen aangetoond worden bij sterk versimpelde modellen en moet er in de praktijk veel uitgebreider getest worden’ De aanpak die Vos gebruikte bouwt voort op werk van RUG-hoogleraar wiskunde en promotor Arjan van der Schaft.

Zelfsturende auto’s

De virtuele veren van Vos zijn op vele manieren inzetbaar, denkt eerste promotor Jacquelien Scherpen, hoogleraar Discrete Technologie en Productieautomatisering en directeur van ENTEG. ‘Je kunt er bijvoorbeeld satellieten mee in formatie laten vliegen. En het systeem zou ideaal zijn voor zelfsturende auto’s. Een virtueel veertje tussen de auto voor en achter je en je rijdt zonder problemen in een ‘treintje’ over de snelweg.’

Samenwerking

Ewoud Vos promoveert op 20 februari 2015op het proefschrift Formation Control in the port-Hamiltonian framework. Zijn onderzoek is onderdeel van het Autonomous Sensor SYStems (ASSYS) Perspectief programma van technologiestichting STW en is uitgevoerd in samenwerking met de universiteit Twente. Andere partners zijn onder meer de Stichting IJkdijk, TNO, de Europese ruimtevaartorganisatie ESA en SRON Ruimteonderzoek.

Meer informatie:

- Ewoud Vos,  Jacquelien Scherpen,  Arjan van der Schaft