Autonome robots sporen verdrinkingsslachtoffers op

Om drenkelingen snel en veilig weer boven water te krijgen, sleutelen Hogeschool Saxion en Robor Electronics, in samenwerking met hulpdiensten, aan een nieuw concept op basis van autonome, samenwerkende robots. Een boot zoekt onder water naar de verdronken personen en geeft de locatie door aan een drone die de situatie verder in kaart brengt en alle informatie doorstuurt naar hulpprofessionals aan de waterkant.

Abeje Mersha is lector unmanned robotic systems bij Hogeschool Saxion. Oscar van Gulik, Chris Jonkman en Jan Schalkwijk zijn studenten van de minor Robotics and Vision bij Saxion. Roger Borre is directeur van Robor Electronics.

29 mei

In 2018 verdronken 112 inwoners van Nederland, 27 meer dan in 2017. Dat meldde het Centraal Bureau voor de Statistiek medio vorig jaar. Een zorgwekkende stijging die zich hopelijk in 2019 niet heeft doorgezet (het CBS heeft over die periode nog geen gegevens openbaargemaakt). Naast die dodelijke ongevallen zijn er nog veel meer situaties waar slachtoffers het gelukkig kunnen navertellen, vaak mede door snel ingrijpen van de hulpdiensten.

Een autonome boot zoekt onder water naar drenkelingen. Een drone brengt de situatie vervolgens in kaart en stuurt alle informatie naar de hulpdiensten aan de kant.

Of het nu gaat om het redden van iemand in nood of het bergen van de lichamen van slachtoffers, tijd is van groot belang. Zodra er een verdrinking is gemeld, worden de hulpdiensten gemobiliseerd om op de situatie te reageren. De reactiesnelheid en de hoeveelheid gemobiliseerde middelen zijn afhankelijk van verschillende factoren, zoals zoekgebied, weersomstandigheden en beschikbaarheid van zowel expertise als reddingsinstrumenten.

Sommige verdrinkingsslachtoffers worden niet gevonden op het wateroppervlak, omdat ze volledig zijn ondergedompeld en op de bodem liggen. In dergelijke gevallen vinden ervaren duikers of vrijwilligers de lichamen pas later. Het is vervolgens een tijdrovend proces om ze daadwerkelijk terug te brengen op het droge. Bovendien dan het een gevaarlijke klus zijn vanwege slecht zicht boven en onder water, waardoor het regelmatig gebeurt dat de slachtoffers helemaal niet worden teruggevonden. Een bijkomend en important aspect aan het terugvinden en bergen zijn de emotionele gevolgen voor de betrokken duikers en vrijwilligers.

Nauwkeurige verkenning

Redenen genoeg om op zoek te gaan naar een meer geautomatiseerde oplossing. Hulpdiensten, Robor Electronics en het lectoraat mechatronica van Hogeschool Saxion hebben daarvoor de krachten gebundeld. De partners werken aan een concept op basis van heterogene en samenwerkende robots. Zo’n groep bestaat uit autonome vliegende robots (drones) en autonome bootjes die samenwerken om verdronken personen te detecteren en te lokaliseren. De robots kunnen hulpverleners assisteren bij het snel, veilig en kosteneffectief uitvoeren van hun zoekacties.

De autonome boot voert eerst een nauwkeurige verkenning uit binnen een vooraf bepaald gebied. Zodra hij onder water afwijkingen detecteert die kunnen worden geclassificeerd als potentieel slachtoffer, stuurt hij de coördinaten naar de luchtrobot. De drone vliegt naar de opgegeven plek en voert een robuuste verificatie uit van zowel het doeltype als de locatie. Deze zeer betrouwbare informatie kunnen de hulpdiensten gebruiken om te bepalen wat de beste strategie is om het slachtoffer naar de kant te krijgen.

De boot gebruikt spinning sonar om de bodem te scannen naar potentiële slachtoffers.

De autonome boot is ontwikkeld door onderzoekers en studenten van Hogeschool Saxion en medewerkers van Robor. Het systeem is uitgerust met een Pixhawk4-autopiloot, op maat gemaakte sonarsensoren voor de mapping, GPS-RTK voor positionering, interfaces voor de communicatie met de drone en de gebruiker aan de kant, en on-board processoren om realtime doeldetectie en lokalisatiealgoritmes uit te voeren. Deze uitrusting is op modulaire manier ontwikkeld en kan op elke compatibele Pixhawk- of andere autopilootgebaseerde boot worden geïnstalleerd.

De boot is in staat om een bepaald gebied te verkennen, de omgeving in kaart te brengen, en het doelwit te detecteren en te lokaliseren. De enige input die hij daarvoor krijgt, komt van de gebruiker (over het algemeen de hulpdiensten), die kan aangeven wat de grenzen van het zoekgebied zijn. Zodra de input is gegeven, genereert de robot een flexibele en adaptieve route die afhankelijk is van het bereik van de mappingsensoren, de gewenste resolutie van de kaart en de grootte van de boot.

Machine learning

Tijdens verkenning brengt de boot de bodem in kaart met behulp van een zogeheten spinning sonar met een breder gezichtsveld. De werking is vergelijkbaar met een spinning lidar. Die technologie op basis van licht is onder water niet betrouwbaar, wat ons heeft doen kiezen voor een range-finding sonar. Die gerichte transponder kan afstandsmetingen doen. Bij elke rotatie van de sonar voeren we een reeks dieptemetingen uit. Als de boot met een vaste snelheid vaart, verkrijgen we zo cruciale informatie over de grootte van de gedetecteerde objecten onder water.

De sonarbeelden worden in realtime verwerkt om nuttige informatie te extraheren die kan worden gebruikt om een eventuele anomalie te classificeren als een potentieel slachtoffer. De detectiesoftware maakt gebruikt van een cascade classifier. Dat is een machine learning-algoritme voor beeldherkenning dat we specifiek hebben getraind om mensen te identificeren in sonarafbeeldingen.

Zodra de boot een potentieel slachtoffer heeft geïdentificeerd, stuurt hij de relatieve locatie naar de autonome drone. Die brengt de locatie verder in kaart en zendt alle input door naar de hulpdiensten aan de kant.

Hogeschool Saxion en Robor hebben de werking van het concept inmiddels succesvol in de praktijk aangetoond. De volgende stappen omvatten volledige integratie van de autonome boot en drone, en uitgebreide praktische tests om de prestaties van het nieuwe concept te evalueren en te verbeteren.