Летающие роботы-квадролёты и их перспективы

Любые роботы интересны и любые роботы привлекают внимание, будь то просто имитирующие живых существ, или ведущие себя совершенно противоестественно им. Именно к категории №1 относятся механизмы от хорошо известного в мире производителя роботов компании Boston Dynamics. Роботы, производимые этой компании, в буквальном смысле пугают своими чересчур «человеческими» движениями. Но есть и примеры совершенно другого рода, наглядной иллюстрацией которых, например, стало появившееся в Сети видео: жуткий рой быстро и слажено летящих совсем миниатюрных квадролетов.

Людям несвойственно роение и для них оно представляет настоящую загадку. Когда у нас не все в порядке в социальной организации общества, мы строим иерархии. Подражающие муравьям и/или пчелам роботы – это явление из совсем «другой оперы». Очевидно, что оно вызывает у нас не только весьма неоднозначные чувства, но еще и массу вопросов.

Скажем, сразу же возникает вопрос о том, как устроены эти роботы? Управляются ли они из единого централизованного центра или летят автономно друг от друга, движимые чем-то внутри самих себя? Может быть, если в основе их синхронного полета лежит единая программа, то это и не рой вовсе, а единый организм, в состав которого входят сотни элементов, не нуждающиеся в механической связи между собой. Последний вариант, кстати, не только любопытен…

Информацию о проектах компании Boston Dynamics найти непросто, так как они ведутся на военные деньги. А вот отыскать нечто о роящихся квадролетах можно без особого труда. Все информацию о них регулярно в своих трудах публикуют ученые, работающие в лаборатории робототехники, автоматизации, очувствления и восприятия университета Пенсильвании (аббревиатура — GRASP) и «приложившие руку» к их созданию.

Летающие роботы-квадролёты GRASP

Немало ценных и интересных фактов можно получить, если познакомиться с их публичными выступлениями, а также интервью в СМИ и в Интернете.

Если взглянуть на квадролеты GRASP более детально, даже не принимая во внимание их прелюбопытное коллективное поведение, то эти устройства интересны и сами по себе.

Сам механизм устройства весит … 73 грамма, включая батарейку и всю электронику. Напомним, что средний смартфон весит в полтора-два раза больше. При этом квадролет умещается на ладони взрослого человека: диаметр пропеллеров (их четыре) составляет восемь сантиметров, а вся конструкция в поперечнике занимает всего 21 сантиметр.

Основная проблема с которой сталкиваются создатели необычных квадролетов — это консервация энергии. Несмотря на то, что аккумулятор каждого квадролета занимает едва ли не половину этого электрического аппарата, дефицит площадей все равно остается. Как бы не хотелось создателям, чтобы квадролеты держались в воздухе как можно дольше, полет роботов не длится больше пяти минут.

Конструкторы мини-квадролётов GRASP сумели добились в этой области определенных успехов. Источником энергий для летающих роботов этих моделей служит литий-полимерный аккумулятор, обладающий ёмкостью 400 мА*ч, весом всего 23 грамма. Так как энергопотребление является максимально низким из возможных, работу аппарата удалось увеличить до одиннадцати минут.

Бортовой компьютер летающего аппарата основан на процессоре ARM Cortex-M3, тактовая частота которого не превышает 700 МГц. Компьютер получает и обрабатывает информацию с датчиков, установленных на трехосных акселерометре и магентомере, двух гироскопах, барометре для измерения высоты. Один из гироскопов является двухосным и измеряет тангаж и крен. Что касается другого гироскопа, то он – одноосный, а главная его задача – измерение рыскания устройства.

Важно подчеркнуть, что датчики передают информацию только о перемещения конкретного «своего» квадролета, а о ситуации, происходящей вокруг, они не сообщают ничего. Конструкторы не предусмотрели на них установку видеокамеры или хотя бы дальномера.

Некоторые квадрокоптеры в GRASP дополняют еще и камерой Kinect. В этом случае квадроптером становится возможным построить трёхмерную картину того, что их окружает. Но это не те роботы, о которых мы ведем речь здесь. Так как исследователей интересовала максимально возможная миниатюрность, они пошлина существенные эксперименты.

Ориентация в пространстве миниатюрных квадролётов GRASP обеспечивается при помощи внешней системы захвата движения, созданной в компании Vicon. Именно эта система установлена в лаборатории и ее используют ученые, работающие там. Данные, которые собираются при помощи этой системы, первоначально обрабатываются на стационарной рабочей станции, после чего по беспроводному протоколу ZigBee передаются квадролетам. Интересно, что рабочая станция и каждый летающий робот обмениваются информацией не меньше ста раз за одну секунду.

Перспективы роботов-квадролётов GRASP

Почему же, все-таки, в этой компании, да и не только в ней, так гоняться за миниатюрностью? Ответ достаточно прост – чем меньше квадролет, тем он маневреннее. Это делает движения квадролетов странными, неестественными. Всего за полсекунды они могут сделать 360-градусный кувырок, в течение секунды «прыгнуть» в сторону на ширину равную ширине собственного корпуса, совершить пять и более оборотов вокруг оси и т.п.

Что дает такая великолепная маневренность показывает видео, регулярно публикуемое исследователями. Квадролеты совершают стремительные прыжки, легко меняют ориентацию в пространстве, выполняют трюки, которые, не обладай они столь сверхъестественной маневренностью, выполнить было бы просто невозможно. Так, всех поражает, насколько легко квадролеты преодолевают узкие проёмы, наклонившись на 90 градусов всего на долю секунды.

Известно, что неприятным, побочным эффектом миниатюрности является очень низкая грузоподъёмность. Именно этот побочный эффект и стимулировал конструкторов работать с коллективами роботов. Один небольшой квадролет действительно слишком слаб, но когда мы берем большую группу роботов, то ей по силам решить едва ли не любую задачу. Выступая на конференции TED, профессор Виджай Кумар, представлявший лабораторию GRASP проиллюстрировал эту идею уникальным видеороликом. Сюжет видеоролика рассказывал о муравьях, который совместно несли в муравейник груз, вес которого был совершенно неподъемным ни для одного из них.

По мнению Кумара, организация совместной работы большого количества летающих роботов должна основывать на трех принципах:

• Управлять роботами необходимо децентрализовано, т.к. иерархия только усложнит и непозволительно замедлит процесс. Роботам важно обходиться без лидеров, так как это происходит в муравьином сообществе.

• Должен соблюдаться принцип анонимности, роботы должны быть неотличимы друг от друга и взаимозаменяемы.

• Информация, которые должны использовать роботы, может быть доступна только локально.

Тот факт, что вполне возможно кажущееся невозможным без строгой организации слаженное групповое поведение в котором нет централизованного управления, доказан. Еще в 1986 году это наглядно доказал специалист по компьютерной графике Крейг Рейндольс, создавший в те годы ставшее знаменитым приложение Boids.

Каждый объект, существующий в Boids вой собственный путь выбирает исходя из трех совсем несложных правил. Первое из них – держи дистанцию между тобой и другим объектом. Второе – двигайся туда, где располагается следующий объект. Третье – стремись к центру, туда, где концентрируется группа ближайших объектов.

В результате объекты, представлены на на экране Boids прекрасно самоорганизуются и группируются в подвижные группы. При этом своими передвижениями они очень напоминают косяки рыб и стаи птиц. Позднее доработанные алгоритмы Boids стали постоянно использоваться при создании спецэффектов в кино, например, в тех случаях, когда требовалось изображение правдоподобного массового поведения людей.

Так как летающие роботы не нуждаются в имитировании косяков рыб, они обходятся менее сложным алгоритмом. Для того чтобы столкновений в воздухе не происходило, им необходимо лишь строго поддерживать дистанцию между собой. Каждый из роботов, при этом, выполняют свою собственную задачу, меняя траекторию только тогда, когда реальной становится угроза столкновения. Проблем с маневренностью у них не бывает в силу тех технических характеристик, которыми они изначально наделены.

Но это всего лишь теория. Принципы, перечисленные Виджеем Кумаром, безусловно, используются в GRASP в исследованиях в области децентрализованного управления роботами, но не в полной мере.

В прошлом году исследователи из лаборатории GRASP — Алекс Кушелев, Дэниел Меллингер и Виджай Кумар опубликовали свою работу Towards A Swarm of Agile Micro Quadrotors. В этой работе утверждается, что коллектив летающих роботов состоит из нескольких несвязанных групп взаимодействующих децентрализовано. Однако внутри каждой из этих групп дисциплина, что называется, железная.

Согласно ученым, существует два способа организации групп, адаптированных к разным ситуациям. В первом случае – это полет строем. Строй представляет собой расположение роботов в определенном порядке, и затем повторение всех движений лидеров. Второй способ организации — это цепочка. При этом способе организации роботов первым летит лидер, а остальные дисциплинировано и с некоторой издержкой движутся за ним. И в том и в другом случае дело упрощает то, что необходимо лишь просчитывать и учитывать траекторию движения лидера. Автономны, в таком случае, роботы? Кумар, отвечая на этот вопрос объяснил, что централизованной является только стратегия, тактически роботы могут передвигаться вполне самостоятельно.

Следует ожидать, что в недалеком будущем рой летающих мини-роботов не покинет стены лабораторий, т.к. их полезность ограничивается зависимостью от внешних датчиков и недостаточным временем автономной работы этих устройств. Однако в этом мире все возможно.