Reinforcement learning–based framework for whale rendezvous via autonomous sensing robots

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作者
Ninad Jadhav,Sushmita Bhattacharya,Daniel M. Vogt,Yaniv Aluma,Pernille Tønnesen,Akarsh Prabhakara,Swarun Kumar,Shane Gero,Robert J. Wood,Stephanie Gil
出处
期刊:Science robotics [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:9 (95): eadn7299-eadn7299 被引量:7
标识
DOI:10.1126/scirobotics.adn7299
摘要

Rendezvous with sperm whales for biological observations is made challenging by their prolonged dive patterns. Here, we propose an algorithmic framework that codevelops multiagent reinforcement learning-based routing (autonomy module) and synthetic aperture radar-based very high frequency (VHF) signal-based bearing estimation (sensing module) for maximizing rendezvous opportunities of autonomous robots with sperm whales. The sensing module is compatible with low-energy VHF tags commonly used for tracking wildlife. The autonomy module leverages in situ noisy bearing measurements of whale vocalizations, VHF tags, and whale dive behaviors to enable time-critical rendezvous of a robot team with multiple whales in simulation. We conducted experiments at sea in the native habitat of sperm whales using an "engineered whale"-a speedboat equipped with a VHF-emitting tag, emulating five distinct whale tracks, with different whale motions. The sensing module shows a median bearing error of 10.55° to the tag. Using bearing measurements to the engineered whale from an acoustic sensor and our sensing module, our autonomy module gives an aggregate rendezvous success rate of 81.31% for a 500-meter rendezvous distance using three robots in postprocessing. A second class of fielded experiments that used acoustic-only bearing measurements to three untagged sperm whales showed an aggregate rendezvous success rate of 68.68% for a 1000-meter rendezvous distance using two robots in postprocessing. We further validated these algorithms with several ablation studies using a sperm whale visual encounter dataset collected by marine biologists.
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