Sök- och räddningspersonal använder redan drönare för att lokalisera försvunna vandrare. Bönder flyger dem över åkrar för att undersöka grödor. Och leveransföretag kommer snart att använda drönare för att släppa paket vid din dörr.

Med så många tillämpningar för tekniken, en forskare från Iowa State University säger att nästa steg är att utöka kapaciteten genom att distribuera flottor av drönare. Men att få det att hända är inte så enkelt som att starta flera flygplan samtidigt. Borzoo Bonakdarpour, en biträdande professor i datavetenskap, säger till skillnad från att styra en enda drönare med fjärrkontroll, drift av en flotta kräver ett automatiserat system för att koordinera uppgiften, men låter drönare självständigt reagera på väder, en krasch eller oväntade händelser.

"Operativsystemet måste vara pålitligt och säkert. Drönarna måste prata med varandra utan ett centralt kommando som talar om för varje enhet vart de ska gå och vad de ska göra när förhållandena ändras, " sa Bonakdarpour. "Vi vill också optimera tiden och energin för att slutföra uppgiften, eftersom drönarbatterier bara räcker i cirka 15 eller 20 minuter."

För att ta itu med detta problem, Bonakdarpour och hans kollegor utvecklade en matematisk modell för att beräkna kostnaden – tid och energi – för att slutföra en uppgift baserat på antalet tillgängliga drönare och laddningsstationer. Modellen tar hänsyn till energin som krävs för att varje drönare ska slutföra sin del av uppgiften och flyga till en laddstation vid behov.

På pappret är lösningen relativt enkel för ett team av datavetare, men Bonakdarpour säger att det inte är lika lätt att gå från teori till implementering. "När vi arbetar med ett problem, vi hittar faktiskt nya problem som vi måste lösa. Det är utmanande, men det är också det som gör det spännande, " han sa.

Till exempel, om ett batteri räcker 15 minuter i labbet, det kan sjunka till 10 minuter på en varm eller kall dag utomhus. Att lokalisera laddstationer är en annan fråga. Den optimala placeringen kan vara mitt i en sjö och otillgänglig i verkligheten.

Hantera avvägning mellan energi och säkerhet

Baserat på deras modell, Bonakdarpour, Anh-Duy Vu med McMaster University, Kanada; och Ramy Medhat med Google i Waterloo, Kanada, utvecklat fyra operativa metoder – tre offlineoptimeringstekniker och en onlinealgoritm. Även om en offlineteknik är begränsad eftersom de förprogrammerade flygvägarna inte tillåter drönare att reagera på oväntade händelser eller förändrade förhållanden, Bonakdarpour säger att det ger grunden för att onlinealgoritmen ska fungera.

Forskarna genomförde en serie simuleringar (se video) med fyra drönare för att testa effektivitet och säkerhet. De fann att onlinealgoritmen lyckades klara avvägningen mellan säkerhet och energi inom drönarnas energigränser. Flottan slutförde alla tilldelade uppgifter och mer än hälften av autentiseringskontrollerna. Forskarna presenterade nyligen resultaten vid den internationella konferensen om cyberfysiska system i Kanada.

Försvara sig mot hackare, oseriösa drönare

Att driva en automatiserad flotta av drönare innebär säkerhetsrisker som är mindre problematiska när man styr en enskild drönare med fjärrkontroll. Bonakdarpour säger att med automation behöver drönare ta emot GPS-signal och position ofta. Om signalen sjunker eller drönarna flyger in i ett område som är GPS-nekat, det kan snabbt bli ett problem.

"Om du kör din bil och tappar GPS, dina köregenskaper beror inte på den signalen. Du kanske missar en utgång, men förlust av signal för en minut är vanligtvis inte en stor sak. Dock, med drönare är bara några sekunder inte acceptabelt, sa Bonakdarpour.

Programvarubuggar eller fel kan göra att en drönare flyger ur kurs och inte följer anvisningarna för att slutföra uppdraget. Bonakdarpour säger att hackare också kan skicka fel signal eller använda en drönare för att imitera flottan. Även om det tar tid att hitta lösningar, Bonakdarpour säger att tekniken finns för att få det att hända. Dock, det kommer också att krävas industristöd för att bygga infrastruktur och laddstationer samt regeländringar för att möjliggöra driften av en flotta av drönare.