Finding bats, in the wild, with droneswarms

David Docherty

Publikation: AfhandlingPh.d.-afhandling

25 Downloads (Pure)

Abstract

Multi-rotor droner, udstyret med følsomme mikrofoner, bliver brugt til at måle ultralyd af flagermus, der jager i mørke, men flagermusene skal først findes. 

   The Secret Life of Bats er et fælles projekt mellem Mærsk Mckinney Møller Instituttet og Bioakustikgruppe på Biologisk Institut, som har til formål at måle vilde flagermusens adfærd uden at påvirke dem på nogen måde. Måleudstyr er anbragt i områder, hvor man er bekendt med at flagermus jage, men dette er ikke en fuldstændig vurdering af deres jagtadfærd – kun en bekræftelse på, at de jager på denne måde på dette sted. Den præsenterede upartisk søgning algoritmer skal bruges til at måle flagermus, uanset hvor de befinder sig. Gå hvor flagermus er, ikke hvor de nogle gange bliver observeret.

   The Secret Life of Bats er et fælles projekt mellem Mærsk Mckinney Møller Instituttet og Bioakustikgruppe på Biologisk Institut, som har til formål at måle vilde flagermusens adfærd uden at påvirke dem på nogen måde. Måleudstyr er anbragt i områder, hvor man er bekendt med at flagermus jage, men dette er ikke en fuldstændig vurdering af deres jagtadfærd – kun en bekræftelse på, at de jager på denne måde på dette sted. Den præsenterede upartisk søgning algoritmer skal bruges til at måle flagermus, uanset hvor de befinder sig. Gå hvor flagermus er, ikke hvor de nogle gange bliver observeret.

   Det er derfor formålet med denne afhandling at udforske forskellige typer søgealgoritmer for at bestemme, hvilke egenskaber der påvirker deres effektivitet til at finde et givet mål. Specifikt når det mål er så hurtigt, adræt og knapt synligt lige som en flagermus, der jager om natten.

   En simulering blev udviklet i MatLab for at sammenligne to hovedgrupper af algoritmer: algoritmerne med fast rute og algoritmer med randomiseret rute. Da søgemålets adfærd er afgørende for at forstå effektiviteten af en søgealgoritme, simuleres flagermus så tæt på en realistisk repræsentation af en ægte flagermus. Søgeren er også en vital del af en søgealgoritme, og derfor blev egenskaberne af Secret Life of Bats drone og mikrofonarray også modelleret i simulering. Simuleringen testede 2 faste og 2 randomiserede søgealgoritmer (Hhv. Sentinel og Lawnmower (Plæneklipper), Levy og TSP) køres hver 100 gange pr. fast dronehastighed (1 til 10ms−1 ). Når man testerede den tid det tog algoritmerne for at finde flagermusen, blev det konstateret, at TSP-algoritmen klarede sig betydeligt bedre end alle andre algoritmer: den finder flagermusen inden for halvdelen af den tid de andre algoritmer. Levy-algoritmen var ikke signifikant bedre end Lawnmower, men viste moderat forbedret detektion. Ud fra disse tusindvis af tests blev det fastslået, at randomisering var vigtigt for at finde hurtige mål i store områder. Men en ny fast-sti-algoritme blev skabt for at efterligne egenskaberne af TSP, og deres resultater var væsentligt ens. Det blev således bevist, at det ikke er randomisering af en sti, der forbedrer en rumlig søgealgoritme, men hurtig ekspansion væk fra oprindelse med periodiske ture mod midten af søgeområdet. Dækningen af søgeområdet opnået af algoritmerne blev også testet, sideløbende med effekten af forskellige batterilevetider, hvilket i sidste ende afgjorde, at dækning bidrager til effektiviteten af en algoritme, men ikke så meget som hurtig udvidelse af arealet.

   Implikationerne af at bruge en drone i den virkelige verden blev også vurderet. Brugervenlighed, pålidelighed og effektivitet af droner blev undersøgt i detaljer for at bestemme om det er praktisk og sikkert at bruge dem til effektivt at søge i et stort område. Dette tog formen af et eksperiment i den virkelige verden, hvor en kunstig flagermus kvidrer, med ultralydstransducer og simuleret flyvevej. Dette eksperiment gik ikke forbi sikkerhedsteststadiet på grund af betydelig forsinkelser forårsaget af forskellige ulykker, folkesundhedsproblemer og begrænset adgang til hardware. Dronen måtte sendes til reparation næsten efter hver eneste test, hvilket tog en betydelig tid. I sidste ende blev brugen af en drone for autonom søgning efter flagermus i store områder om natten anset for upraktisk og usikker, indtil droner er blevet mere robuste, gentagelige og mere åbne for tredje parters kurs planlægning.

   Ud over testene i den virkelige verden, blev søgeproblemet udvidet til et multidronesystem. Hvis en søger er i stand til at finde en flagermus indenfor rimelig tid, er det logisk at forvente, at tiden bliver bedre med flere droner og øge den tid, der bruges i nærvær af en flagermus. Når flere droner tilføjes for at lave en sværm, er der nye overvejelser, der skal tages op, såsom om alle droner bruger den samme algoritme, eller om hver drone får en let modificeret version osv. Derfor blev simuleringen modificeret for at teste multi-drone søgninger. TSP’en var mest effektiv med ´en drone og var den mest effektive helt op til fem droner. Den nye algoritme, der matchede TSP’en med en drone, holdt op med at forbedre sig ved tre droner. Brugen af flere droner, der flyver med hver af disse algoritmer i den virkelige verden, blev også udforsket, og det blev fastslået, at algoritmerne med fast vej (de sikreste med ´en drone) var væsentligt farligere, når flere droner kommer til.

   Hvis en algoritme skulle vælges ud fra resultaterne af simuleringerne, vil dete være TSP. Ingen anden testet algoritme viser de samme succesrater eller de hurtigste detektionstider. I teorien ville det være perfekt egnet til Secret Life of Bats projekt. Imidlertid gør den randomiserede karakter af algoritmen ægte drone uforudsigelig og dermed usikker. Med ´en drone, den mest almindelige brugt og bredt tilgængelig algoritme (Lawnmower) er den sikreste, da den er forudsigelig. Men med flere droner skal algoritmen konvergere med andre droner som er væsentligt farligere end de andre metoder. Uanset af hvor ineffektiv algoritmen var til at finde en flagermus, er det sikreste altid Sentinel algoritme. Indtil droner er mere sikre, vil de bedre algoritmer være svære at gennemføre.

OriginalsprogEngelsk
Bevilgende institution
  • Syddansk Universitet
Vejledere/rådgivere
  • Hallam, John, Hovedvejleder
  • Jakobsen, Lasse, Bivejleder
Udgiver
DOI
StatusUdgivet - 20. sep. 2022

Fingeraftryk

Dyk ned i forskningsemnerne om 'Finding bats, in the wild, with droneswarms'. Sammen danner de et unikt fingeraftryk.

Citationsformater