В МАИ разрабатывается новая система управления для автономных РТК
Марсоход Perseverance - пример применения технологии SLAM. Фото NASA
Для создания перспективных робототехнических комплексов разного рода требуется широкий круг разнообразных технологий. Особое значение в этом контексте имеют автономные системы управления, средства технического зрения и т.д. Системы и технологии такого рода разрабатываются рядом отечественных организаций, и к таким работам регулярно присоединяются новые участники. Так, недавно стало известно об очередном подобном проекте, разрабатываемом студентами Московского авиационного института.
Перспективная разработка
В конце декабря пресс-служба МАИ сообщила о разработке нового любопытного проекта. Студент 3 курса института №6 «Аэрокосмический» МАИ Алексей Колтовский создает программный комплекс с функцией автономного управления роботом. Наработки по этому проекту в будущем могут использоваться при создании различных робототехнических систем, в т.ч. космического назначения.
Причиной появления проекта называют необходимость избавления от характерных проблем и ограничений, с которыми сталкиваются космические системы. Так, радиосигнал от Земли до Марса идет порядка 15 минут, и еще столько же времени необходимо для получения ответа. Соответственно, дистанционное управление планетоходом или иной техникой становится практически невозможным. Кроме того, оценка обстановки оператором затрудняется из-за низкого качества пересылаемых фотографий или видеосигнала.
Решением этих проблем, по задумке А. Колтовского, должен стать программный комплекс с функцией автономной навигации и вождения. Современное аппаратное и программное обеспечение позволяют роботу создавать трехмерное представление окружающей обстановки, а также самостоятельно принимать решения и составлять маршрут.
Как сообщается, в настоящее время студент-разработчик занимается созданием программного комплекса с необходимыми функциями и возможностями. При этом уже планируется следующий этап проекта. Весной автор и его коллеги собираются провести первые испытания. В них будет задействована самоходная шестиколесная платформа, которую оснастят средствами управления на основе новых алгоритмов.
Экспериментальный РТК "Маркер", предназначенный для проверки новых технологий. Фото ФПИ
А. Колтовский отмечает, что в случае успеха новые программные средства и технологии из его проекта смогут использоваться при создании различных РТК для решения широкого круга задач. Сам разработчик в первую очередь ориентируется на космическую сферу – именно исследовательские аппараты смогут в полной мере реализовать потенциал новых технологий.
Автономность и упрощение
В публикации пресс-службы МАИ описаны общие принципы работы разрабатываемой системы, ее возможности и преимущества. В целом речь идет об использовании уже известных решений, но с их адаптацией и доработкой под конкретные практические задачи и сферу применения. Так, предлагается сократить номенклатуру используемых приборов и обойтись их минимальным количеством.
С целью упрощения конструкции и ПО предлагается использовать только оптические средства для визуального изучения местности / трассы. Применение акселерометров или иных устройств не предусматривается. Набор камер подключается к компьютеру, который производит необходимые расчеты и выдает команды для исполнительных механизмов.
Комплекс в целом должен работать по технологии «одновременной локализации и построения карты» (Simultaneous Localization And Mapping — SLAM). Компьютер будет получать видеосигнал с камер и, обрабатывая его, составлять карту местности со всеми ее особенностями, в т.ч. с препятствиями. На основе этих данных автоматика будет строить маршрут и решать, каким образом следует преодолевать каждое препятствие.
Программное обеспечение для перспективного комплекса пишется на языке Python. Кроме того, автор использует библиотеки машинного обучения и машинного зрения. Основной задачей на данный момент является оптимизация алгоритмов и используемых наборов данных для снижения потребной вычислительной мощности и одновременного повышения производительности.
А. Колтовский отмечает, что существующая библиотека OpenCV в исходном виде, без оптимизации, способна обрабатывать видеосигнал со скоростью 0,82 кадра в секунду. Оптимизация алгоритмов позволяет поднять производительность до 8-10 кадров в секунду.
"Маркер" на колесном шасси. Фото ФПИ
В целом технология SLAM имеет значительные перспективы и уже демонстрировала свои возможности на практике. Так, марсоход Perseverance американского агентства NASA определяет препятствия в т.ч. за счет оптических средств. Обработка фото и видео с созданием трехмерных карт местности позволила увеличить допустимую скорость движения с 20 м/ч до 120 м/ч – в шесть раз.
Отмечается, что подобный проект является уникальным для российской науки. Задачи создания программных комплексов для автономных систем управления на основе SLAM и их адаптация под относительно маломощные вычислительные платформы в нашей стране пока не решались. Таким образом, студенческий проект имеет, как минимум, историческое значение.
На фоне отрасли
В последние годы в нашей стране было создано большое количество разнообразных наземных РТК с разными функциями и возможностями. Часть таких систем даже дошла до практической эксплуатации в разных структурах и ведомствах. В частности, широкую известность получили роботы нескольких типов для армии. При этом развитие отрасли и разработка новых проектов не прекращаются. Кроме того, силами разных организаций и энтузиастов создается научно-технологическая база для следующих проектов.
Одной из главных задач отрасли на данный момент является создание автономных систем управления, способных осуществлять вождение в разных условиях, перемещаться по заданному маршруту или самостоятельно преодолевать препятствия. Для решения таких задач используются различные приборы т.н. технического зрения и бортовые компьютеры со специальным ПО.
Стандартный набор датчиков для наземного РТК, обеспечивающий самостоятельное вождение, включает камеры и лидары, а также, в некоторых случаях, ультразвуковые или радиолокационные датчики. Все эти приборы собирают данные, которые компьютер объединяет в трехмерную карту местности, пригодную для ориентирования. Кроме того, к карте местности добавляются данные от средств спутниковой или инерциальной навигации.
Такой способ определения местоположения и отработки маршрута давно показал и подтвердил свой потенциал и возможности. Однако он отличается определенной сложностью и дороговизной с аппаратной точки зрения – в нем используются достаточно сложные и дорогие датчики. Кроме того, приборная часть готового РТК в итоге отличается немалыми габаритами и массой.
Тяжелый инженерный РТК "Проход-1" - при работе часть задач решается автоматикой. Фото ВНИИ "Сигнал"
Новый проект из МАИ предлагает оптимизировать процессы картографирования и последующей навигации на местности. Его главная идея заключается в отказе от всех датчиков за исключением видеокамер с одновременным совершенствованием применяемого ПО. В теории, такой подход вполне выгоден технически и экономически, хотя новая технология и нуждается в отработке и испытаниях.
Проект студента МАИ или аналогичные разработки других авторов представляют интерес в контексте дальнейшего развития РТК для разных задач. Повышение автономности робота при вождении позволяет снизить нагрузку на оператора и обеспечить успешное прохождение маршрута.
Кроме того, появляется возможность создания полностью автономных систем для работы в сложных условиях, в т.ч. при невозможности использования управления по радио. Разработчик новой системы указывает, что это пригодится при освоении космоса. Однако работа для автономных машин найдется и на Земле.
Повод для оптимизма
Проект системы управления от студента МАИ пока находится на стадии разработки, но уже ожидаются испытания с использованием опытной наземной платформы. Практическая проверка новых технологий пройдет весной, и тогда станет понятно, насколько удачным является новый проект. Тогда же можно будет дать ему оценку и определить реальную ценность для отрасли.
Справится ли опытный РТК и его система управления с предстоящими проверками, неизвестно. Однако уже сейчас этот проект показывает, что теперь – благодаря прогрессу и наличию необходимых наработок – созданием перспективных технологий могут заниматься не только крупные организации, но и энтузиасты или студенты. И вполне возможно, что такие проекты в будущем окажут заметное влияние на развитие отрасли в целом.
Информация