Dos drones de bajo costo que vuelan en formación
¿Cuánto del error de una formación de drones se debe al control, cuánto a la localización y cuánto a la red? Este proyecto lo separó de forma experimental con dos drones Tello de menos de 130 dólares cada uno, sin sistema de captura de movimiento ni radios dedicadas. El resultado menos obvio es que, en un esquema líder-seguidor, el retardo de comunicación no desestabiliza la formación. El error proviene casi por completo del ruido en la estimación de posición.
Contexto
La cooperación entre vehículos aéreos acopla tres problemas: el control de cada vehículo, la localización relativa y la comunicación entre ellos. En plataformas de investigación de alto costo, la captura de movimiento y los enlaces de radio dedicados resuelven los dos últimos. Con hardware educativo hay que caracterizarlos.
Arquitectura
Cada dron es controlado por un computador independiente a través de su propia red WiFi. Los dos computadores se comunican por un enlace Ethernet directo, que funciona como la red de cooperación. La posición de cada dron se estima con su cámara a partir de una grilla de seis marcadores ArUco fijos.
El trabajo se organizó en 16 pruebas agrupadas en cinco objetivos: modelo dinámico, control cooperativo, red, simulación e integración.
Modelo dinámico
La respuesta del Tello a comandos de desplazamiento se ajusta a un sistema de segundo orden críticamente amortiguado, con frecuencia natural de 1,9 rad/s y un error de ajuste de 2,8 cm.
Respuesta al escalón y ajuste del modelo de segundo orden
La caracterización mostró también los límites de la plataforma: una variabilidad de entre 10 y 25 % en la ejecución de comandos discretos, una latencia mediana de cerca de un segundo entre comando y acción, y una deriva en vuelo estacionario de unos 5 cm/s cuando no hay control externo.
Deriva del dron en vuelo estacionario durante 60 s
Control
Lazo cerrado individual. Con realimentación de la posición estimada por ArUco, el error de seguimiento tiene un sesgo menor a 1 cm por eje y un error tridimensional de 8,1 cm en estado estacionario. El dron se recupera de perturbaciones físicas de 30 a 46 cm en unos dos segundos.
Error de seguimiento del lazo cerrado, con cinco perturbaciones
Formación líder-seguidor. El seguidor calcula su referencia como la posición del líder más un desplazamiento fijo. En formación estática el error fue de 12,9 cm, y en formación dinámica sobre una trayectoria cuadrada de 0,6 m de lado fue de 23 cm.
Error de formación estática, con y sin filtro de promedio móvil
Consenso distribuido. La ley de consenso clásica lleva a los agentes a un mismo punto, lo cual es inviable con multirrotores: uno queda encima del otro y la estela del rotor superior desestabiliza al inferior. Se modificó para converger con una separación lateral mínima.
Convergencia de posición en consenso distribuido con separación de seguridad
De dónde proviene el error
El error de formación crece 59 % al pasar de un dron a dos en formación estática, y 184 % en formación dinámica. El trabajo lo descompone en tres factores:
- Ruido de posición. La referencia del seguidor hereda la incertidumbre de la posición del líder, de unos 6 cm por eje, que se suma a la propia.
- Filtrado. Un promedio móvil de ocho muestras reduce el error estacionario de 27,4 a 12,9 cm, pero introduce un retraso de 0,6 s que se convierte en error cuando el líder se mueve.
- Latencia de red. Es de 5,6 ms, despreciable frente al periodo de 73 ms del lazo de control.
Red
El enlace no es el cuello de botella, con cerca de 2 ms de latencia y 93 Mbps. Un protocolo binario propio de 41 bytes con verificación CRC-16 mantuvo la integridad en más de 50 000 mensajes, incluso con 20 % de pérdida de paquetes inyectada.
Error de formación bajo retardo y pérdida de paquetes inyectados
Al replicar los experimentos en una simulación basada en el modelo identificado, se pudo aislar el efecto del retardo. En una arquitectura en la que el seguidor tiene realimentación propia de posición, el retardo afecta solo la consigna y no el lazo, y por eso no desestabiliza el sistema. La degradación que se observa en el experimento físico con la red degradada se debe a otros factores que ocurren al mismo tiempo.
Misión completa
La misión integrada, que comprende despegue, formación, trayectoria y aterrizaje, tuvo éxito en siete de ocho repeticiones. La falla se debió a un error de la unidad inercial de uno de los drones.
Error por repetición y métricas de repetibilidad de la misión cooperativa
Lo que falta
El sistema solo funciona frente a la grilla de marcadores. La cámara se usó con parámetros intrínsecos aproximados. Solo se validó con dos agentes, y la arquitectura actual requiere un computador por dron. La simulación subestima los transitorios, con una diferencia de 19 % frente al experimento en régimen estacionario.
El documento dedica además un capítulo a los métodos que se descartaron, que resulta útil para quien continúe el trabajo sobre la misma plataforma.
Relación con Robiolab
El comportamiento colectivo es un tema recurrente en la robótica bioinspirada, y el grupo lo había abordado antes desde el cuerpo de los robots, con el vehículo de unidades esféricas cooperativas. Este trabajo lo aborda desde la información: qué necesita saber cada agente sobre los demás y con qué calidad. La conclusión de que el factor limitante es la percepción y no la comunicación es aplicable a otros sistemas del laboratorio que dependen de visión para cerrar el lazo, como el robot continuo controlado con cámaras.