Соревнования российских беспилотных автомобилей

Они прошли в Подмосковье  с участием нескольких команд. Если не углубляться в технические подробности, то можно отметить два момента. Во-первых, беспилотники передвигались на скорости порядка 30 км/час. Во-вторых, достаточно сложным для них оказалось передвижение в потоке "пилотируемых" (то есть, обычных) автомобилей. В целом это означает, что еще довольно далеко до того момента, когда беспилотные автомобили станут полноценным пассажирским транспортом. Тем не менее, исследования в этом направлении необходимо продолжать, в том числе для решения задач военного и производственного характера. Тем более, в России есть неплохой задел для развития автономной мобильной робототехники. Вспомним, что лет 15 назад в Москве проходили многочисленные выставки и соревнования мобильных роботов. Для примера приведём несколько конструкций, представленных на этих мероприятиях.

I. «Видеолокатор-БОТ G5» - мобильный роботизированный комплекс, построенный на базе комплексной системы обеспечения безопасности, видеонаблюдения и аудиорегистрации «Видеолокатор». Данный робот может осуществлять круговой обзор при помощи четырех цветных видеокамер. При этом он способен детально рассмотреть любой объект на расстоянии до 1 км при помощи высококачественной скоростной поворотной камеры, которая может приблизить объект до 230х. Наружный микрофон позволяет фиксировать даже незначительные шумы. Четыре инфракрасных датчика движения активизируют робота, выводя его из режима сохранения энергии, а датчик дыма обеспечивает противопожарную защиту помещения. Робот умеет патрулировать охраняемое помещение, передвигаясь по заданным маршрутам (в частности, по выставке он уверенно маневрировал между стендами). Помимо траектории движения робота в маршруте заданы направления поворотов камеры и положения трансфокатора.

II. "АМУР-2" (Адаптивный Мобильный Универсальный Робот). Робот представляет собой автономную тележку, имеющую на борту программируемый контроллер, набор различных датчиков, исполнительные механизмы (эффекторы), модули связи с управляющим компьютером. Робот построен по модульному принципу, что позволяет использовать его компоненты и для других разработок. "АМУР-2" построен на основе однокристальной ЭВМ ATmega8515. Тактовой частоты 7 МГц и памяти 8 Кб достаточно не только для реализации управляющего автомата, но и для хранения более сложных поведенческих подпрограмм: езды по инверсной линии с самопересечениями, поиска источника света и др. Технические характеристики робота: двигатели постоянного тока, скорость перемещения, см/с - 30; датчики полосы, ед. - 4; бесконтактные ИК-датчики обнаружения препятствий, ед. - 2 (дальность обнаружения - от 5 до 45 см, частота излучения 36 кГц, тип выхода - релейный, 3 зоны обнаружения препятствий); "глаза" для обнаружения маяков на расстоянии от 10 см до 4 м, ед. - 2; "пушка" для гашения активных маяков (дальность гашения маяка - до 50 см); модуль для воспроизведения звуков (общее время воспроизведения - 32 с, количество воспроизводимых фрагментов - 16, выбор фрагмента - комбинация из 4-х логических уровней, выходная мощность - 3 Вт); связь с компьютером через BlueTooth (Class 1, 100 м); питание - аккумулятор 12 В, 4 А*ч; время автономной работы, час - 3; габаритные размеры, мм - 400 х 190 х 250; вес, кг - 5.

Робот решает следующие задачи.

1. Моделирование условно-рефлекторного поведения. В ходе исследований понятие "Интеллектуального жилища" рассматривалось с точки зрения системы взаимодействующих, взаимнодрессирующихся (приспосабливающихся) компонент - как составляющих самого жилища, так и собственно жилища и его "обитателей". В основе управляющей программы лежал стохастический автомат. Действия автомат совершает в соответствии со стохастической матрицей Р. То есть, находясь в некотором состоянии q(t) и приняв на входе сигнал x(t), автомат переходит в состояние q(t + 1). При этом он совершает действие d, выбираемое из соответствующего вектора вероятностей - строки матрицы Р.

d(t +1) = F(P(t), x(t), q(t)), q(t + 1) = Q(x(t), q(t)).

Реакция автомата на входное воздействие оценивается - автомат "наказывается" либо "поощряется". Смысл реакции на сигнал "наказания/поощрения" заключается в изменении значений вероятностей выполняемых действий. Таким образом, с течением времени в ходе "дрессировки" автомат должен сформировать необходимые значения вероятностей действий. Характерным для поведения робота является наличие 'безусловных рефлексов'. В любом состоянии, выполняя то или иное действие, робот прежде всего анализирует сигналы от датчиков наивысшего приоритета, таких, как контактные датчики или датчик заряда аккумулятора. Скажем, решая задачу поиска линии, робот отреагрует на внезапно появившееся препятствие и начнёт маневр уклонения.

2. Псевдовзаимодействие роботов. Речь идёт о создании модели "обмена опытом", когда живущие в различных средах роботы могут обмениваться приобретёнными навыками (рефлексами). Были получены следующие модели.

- 1ГХ2Л-А ("Автоматы"). Рассматриваются роботы, управляемые вероятностными автоматами. Суть модели состоит в процедуре объединения матриц вероятностей действия. Роботы управляются ЭВМ, которая инициирует процесс объединения навыков, подаёт управляющие и обучающие воздействия на роботов.

- 1ГЧ2Л-НС ("Нейронные сети"). Аналогичная предыдущей, но вместо матрицы вероятностей используются нейронные сети. Для этой модели осуществляется обмен приобретёнными навыками. Теоретическим базисом является процедура композиции нейронных сетей.

3. Интеллектуальное поведение. Задача индуктивной классификации. Были исследованы вопросы применимости в робототехнике таких методов искусственного интеллекта, как эволюционное моделирование и метод правдоподобных рассуждений (ДСМ-метод). При этом в качестве задачи был выбран классический тест из регламента фестиваля мобильных роботов - движение по шоссе. Датчики полосы образованы 4-мя парами "ИК-приёмник/излучатель". Чтобы научить робота движению по полосе, необходимо было выработать набор соответствующих правил. которые, исходя из анализа состояния датчиков, выдавали бы необходимые управляющие сигналы. Для этого роботу требуется т. н. классификатор. В одной модели классификатор получался в результате эволюции популяции решающих правил (эволюционное моделирование), в другой он являлся результатом работы интеллектуальной процедуры - динамического ДСМ-метода. В отличие от классического ДСМ-метода, который работает с замкнутым множеством исходных примеров и заранее определёнными их свойствами, динамический ДСМ-метод позволяет работать в открытой среде с неизвестным заранее количеством примеров и автоматической классификацией примеров с помощью оценочной функции.

III. «Робот транспортный с адаптивным управлением» - транспортная платформа с системой адаптивного управления и телеметрией. Данная транспортная платформа построена на двух однокристальных микроЭВМ марки PIC, запитанных от +5 В и работающих с частотой 4 МГц (данная частота обеспечивается внешним XT-генератором). XT-генератор состоит из кварцевого резонатора 4МГц и двух конденсаторов, подключенных к выводам osc1 и osc2. Вся схема питается от бортовой сети робота 12 V.

К входам блока управления подключены следующие блоки и элементы:

Х1 — разъем для подключения программатора.

Х2 - разъем для подключения привода серводвигателя.

ХЗ — разъем для подключения блока радиоуправления робота.

Х4 - разъем для подключения блока привода.

Х5 - разъем для подключения питания 12 V.

Хб - разъем для подключения блока датчиков.

Х7 - разъем питания блока датчиков.

Каждый сигнал подаваемый с блока датчиков индуцируется, что помогает отлаживать управляющую программу. Так же такое управление роботом понятно человеку впервые встретившемуся с данным устройством.

Алгоритм работы робота заключается в движении транспортной платформы по заданной траектории и объезд встречающихся препятствий.

Обнаружение препятствий происходит с помощью инфракрасных датчиков. Инфракрасные датчики представляют собой пару ик-излучателей и пару ик-приемников. Одна пара излучатель-приемник контролирует наличие поверхности, другая наличие препятствий, соответствующие сигналы подаются на блок датчиков где преобразуются для понимания контроллером. Блок датчиков соединен с сопроцессором PIC16Р84A который анализирует сигналы с датчиков и подает их процессору, при этом каждый датчик контролирует наличие поверхности по которой движется робот и отсутствие препятствия (то есть если поверхности движения не будет сопроцессор сообщит процессору о наличии препятствия в ванном направлении).

Процессор работает в двух режимах: режим ожидания и активный режим.

В режиме ожидания процессор контролирует напряжение в аккумуляторах и считывает сигналы с разъема XЗ, также процессор должен держать привод отключенным (сигнал низкого уровня на выходе RC1). При подаче сигналов с блока радиоуправления робот анализирует и сохраняет полученную информацию (то есть дистанцию до объекта) и при появлении сигнала на RBЗ робот переходит в активный режим.

В активном режиме происходит активация привода (RC1 высокий уровень).

Начинается движение робота и считывание сигналов с сопроцессора. Если сигналов с сопроцессора нет то робот не двигается. Если появились сигналы с сопроцессора о наличии поверхности и отсутствия препятствий то робот активирует сервопривод, выводит его в среднее положение, выводит сигнал о направлении движения на драйвер привода (RC2) и начинает выдачу сигналов в драйвер (частота и количество сигналов определяют скорость и дистанцию пройденную роботом). При появлении препятствия с сопроцессора выдается сигнал который анализируется процессором. В соответствии алгоритму работы робот совершает необходимые действия для объезда препятствия (активирует серво привод и устанавливает его в положение отьезда от препятствия, совершает отъезд назад, и снова возвращает серво привод в исходное положение) и продолжает движение вперед. По достижению цели робот совершает разворот и продолжает движение в обратном направлении. При достижении начальной точки робот переходит в ждущий режим.

Представляемая система адаптивного управления отвечает следующим требованиям:

- объезд возникающих препятствий и возвращение на заданную траекторию;

- приход в заданную точку относительно первоначального положения;

- приход в заданную точку после сдвига относительно первоначального положения;

- полная автономность выполнения задания, адаптивное автоматическое управление в зависимости от окружающей обстановки;

- возможность принудительного изменения траектории движения посредством теле-радио управления;

- автоматический переход в режим адаптивного управления при не уверенном приеме теле-радио сигнала;

- возможность дистанционного задания координат точки, в которую необходимо придти платформе.

Особенность проекта: автоматический переход из режима радиоуправления в автономный адаптивный режим при срыве сигнала управления и обратный переход при восстановлении сигнала.

Еще больше информации на данную тему содержит телеграм-канал «Человекоподобные роботы: технологии и рынки».

ДОПОЛНЕНИЕ

Электронное зрение автомобилей. В марте 2004 г. из Барстоу (шт. Калифорния) в Лас-Вегас (шт. Невада) в 340-километровый путь отправились несколько машин, принявших участие в 10-часовых автомобильных гонках по бездорожью под названием «Большой вызов». При этом в машинах не было водителей: им пришлось самостоятельно прокладывать путь и справляться с препятствиями. Единственное, чем могли помочь люди — за 2 часа до старта сообщить 1000 определяемых с помощью GPS (системы глобального позиционирования) точек-ориентиров. Всё остальное возлагалось на высокопроизводительные компьютеры, системы электронных карт, сенсоров и аналитики. - поэтому активное участие в проекте приняла корпорация Intel,  наряду с Boeing, Seagate, Университетом им. Карнегги Меллона. Кстати, в России это направление пропагандирует журнал "Техника кино и телевидения", еще по материалам выставки "Мотор-Шоу 2002" сделавший вывод о перспективах замены живых шоферов на роботов (№ 11, 2002 г.). Тем более, в переводе на русский язык "автомобиль" изначально означал "самодвижущуюся коляску".

В составе Университета им. Карнеги Меллона есть Институт робототехники, где идут исследования в области автономных движущихся средств, вылившиеся, в частности, в создание марсоходов. Но всё это были «штучные» разработки, а на повестке дня стояло создание робота-шофёра для повседневной жизни. Таким образом, в автопробег была заявлена разработанная в университете машина «Песчаная буря» (Sandstorm), созданная на основе внедорожника Нummer, из которого убрали крышу и сиденья, установив алюминиевый ящик полутораметровой длины, внутри которого, тщательно изолировав от внешних воздействий, разместили мощный компьютер.

Какова роль компьютерного зрения? Одна из самых сложных проблем в автогонках — преодоление препятствий. Система GPS может держать автомобиль на курсе с точностью до метра, но она не способна предупредить его о ямах и камнях, к тому же боится песчаных вихрей. Поэтому «Песчаную бурю» оснастили лазерными радарами, передающими данные в компьютер, куда с двух видеокамер поступает и стереоизображение. Быстродействие компьютера должно быть достаточным, чтобы на высокой скорости автомобиля успеть дать команду на преодоление препятствия — обогнуть или притормозить. Бортовой компьютер — на базе четырёх процессоров Itanium 2, архитектура которого способствует выполнению алгоритмов, необходимых для обсчета различных вариантов маршрута, где много кольцевых вычислений и операций с плавающей запятой; обрабатывая информацию от сенсоров, он прокладывает маршрут и управляет всеми движениями автомобиля. Система использует ПО, оптимизированное с помощью Intel Vtune Performance Analyzer. Кроме того, на автомобиле установлены четыре вычислителя, каждый с двумя процессорами Хеоn, на которых работают приложения доступа к картам и другой информации, контроля состояния автомобиля и управления им. А. Барсуков, журнал "ТКТ", № 5, 2004 г. 

СУХОПУТНАЯ ТОРПЕДА. Осень 1941 года. Враг стремительно продвигался к Москве. Остро встал вопрос о новой технике для ведения уличных боев. Инженерами завода НИИ № 627 (прообраз ВНИИЭМ) была разработана небольшая самоходная электротанкетка, управляемая по проводам. Она несла на себе 64 кг взрывчатого вещества и 3 огнемета. Танкетка могла взрывать фашистские танки, неожиданно выскакивая из подворотни домов. На заводе была изготовлена партия танкеток. Но, к счастью, под Москвой они не понадобились. Немцы откатились от Москвы зимой 1941 года. Позже электротанкетки успешно использовались на Керченском полуострове, на Волховском фронте и при прорыве блокады Ленинграда. Информация и чертеж электротанкетки любезно предоставлены бывшим руководителем пресс-центра ВНИИЭМ Л. Юмашевой и ее сотрудниками. По материалу в газете "Контакты", № 4, апрель 2005 г.