Слова «летать, как орлы», как известно, являются частью песни, но они также могут быть словами, которые могут заставить некоторых ученых почесать затылок. Особенно, когда речь идет о парящих птицах, таких как орлы, соколы и ястребы, которые, кажется, с легкостью взбираются на большие высоты над холмами, каньонами и горными вершинами. Ученые понимают, что восходящие потоки теплого воздуха помогают птицам в их полете, но они не знают, как птицы находят и перемещаются по этим тепловым шлейфам.
Чтобы выяснить это, исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего использовали обучение с подкреплением, чтобы обучить планеров автономно перемещаться по атмосферным термикам, взлетая на высоту 700 метров - почти 2300 футов. Новые результаты исследования, опубликованные в выпуске журнала Nature от 19 сентября, подчеркивают роль вертикальных ускорений ветра и крутящих моментов по крену как жизнеспособных биологических сигналов для парящих птиц. Выводы также обеспечивают навигационную стратегию, которая напрямую применима к разработке автономных парящих аппаратов или беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).
«Эта статья является важным шагом на пути к искусственному интеллекту - тому, как автономно парить в постоянно меняющихся термиках, как птица. исследовательская группа из Института биологических исследований Солка и Отделения биологических наук Калифорнийского университета в Сан-Диего.
Обучение с подкреплением - это область машинного обучения, вдохновленная поведенческой психологией, в которой агент учится, как вести себя в окружающей среде, на основе выполненных действий и результатов. По словам профессора кафедры физики Калифорнийского университета в Сан-Диего Массимо Вергассолы и кандидата наук Гаутама Редди, он предлагает подходящую основу для определения эффективной навигационной стратегии как последовательности решений, принимаемых в ответ на сигналы окружающей среды.
«Мы подтверждаем правильность нашей изученной политики полетов с помощью полевых экспериментов, численного моделирования и оценок шума в измерениях, который неизбежно присутствует из-за атмосферной турбулентности», - пояснил Вергассола. «Это новый пример изучения навигационной задачи в полевых условиях, когда обучение серьезно затруднено множеством физических эффектов и непредсказуемостью окружающей среды».
В исследовании, проведенном совместно с Отделением биологических наук Калифорнийского университета в Сан-Диего, Институтом Солка и Международным центром теоретической физики Абдуса Салама в Триесте, Италия, команда оборудовала планеры с двухметровым размахом крыльев контроллером полета.. Устройство позволило реализовать на борту автономные правила полета за счет точного контроля угла крена и тангажа. Стратегия навигации определялась исключительно на основе совокупного опыта планеров, собранного в течение нескольких дней в полевых условиях с использованием исследовательских поведенческих стратегий. Стратегии основывались на новых бортовых методах, разработанных в ходе исследований, для точной оценки местных вертикальных ускорений ветра и крутящих моментов по крену, которые служили навигационными ориентирами.
Методология ученых включала оценку вертикального ускорения ветра, градиентов скорости вертикального ветра на крыльях планеров, разработку учебного модуля, изучение стратегии термиков в полевых условиях, проверку эффективности изученной политики в полевых условиях., тестирование производительности для разных размахов крыльев в симуляциях и оценка шума при измерении градиента из-за атмосферной турбулентности.
«Наши результаты подчеркивают роль вертикального ускорения ветра и крутящего момента по крену как жизнеспособных биологических механосенсорных сигналов для парящих птиц и обеспечивают навигационную стратегию, которая непосредственно применима к разработке автономных парящих транспортных средств», - сказал Вергассола.