Roboti | Česko | ČVUT

Když netopýry vyženou roboti. ČVUT trénuje v legendární české jeskyni

  • Studenti ČVUT uspěli v USA v robotické soutěži DARPA
  • V týdnu trénovali na další kolo
  • Jejich mašiny zkoumaly druhý nejdelší český jeskynní systém

Americká obranná agentura DARPA před třemi lety vyhlásila soutěž Subterranean Challenge, která má za úkol najít nejlepšího experimentálního záchranného robota, který si poradí s podzemním průzkumem ve štole, městě i přírodní jeskyni.

Jelikož může robot na dálkové ovládání ve stísněných podmínkách starých štol snadno přijít o rádiové spojení, musí být zároveň plně autonomní a v naprosté tmě plnit soutěžní úkoly – třeba lokalizovat batohy fiktivních obětí závalu.

Hledá se robot-záchranář

Subterranean Challenge je rozdělený na několik jednotlivých klání, přičemž loni v létě se konal první okruh Tunnel Circuit (štola), letos v zimě to byl Urban Circuit (město), v srpnu se měli soutěžící utkat v Cave Circuit (jeskyně) a v roce 2021 mělo o všem rozhodnout velké finále.

Klepněte pro větší obrázek
Časový plán letitého klání je i kvůli koronaviru nejistý

Těžko ovšem předvídat, jak to nakonec celé dopadne, koronavirová krize, která nebývale zasáhla zejména pořádající Spojené státy, totiž všechny plány odsunula na neurčito.

Patnáct kilometrů labyrintů pro ČVUT

Soutěžní týmy přesto vytrvale trénují a na jeden z nich jste mohli v týdnu narazit i v jednom z nejznámějších českých krasových jeskynních systémů – v Býčí skále kousek od Brna. Spolu s Rudickým propadáním tvoří po Amatérské jeskyni druhý nejdelší jeskynní systém v České republice o celkové délce přes patnáct kilometrů, píše se na Wikipedii.

Klepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázek
Jeskynní systém prozkoumávali roboti všech pohybových form-faktorů. Další fotografie najdete v galerii.

Rodiny na kolech tu tedy nevěřícně civěly na modrý pásový tank Charlie, žluté čtyřkolové vozítko na podvozku Husky A200, letku autonomních dronů nebo třeba robotické pavouky, které se pohybují díky důmyslnému systému pokročilých servomotorů.

Blízké turistické odpočívadlo pak namísto žíznivých výletníků obsadily skupinky studentů s laptopy a desítky metrů prodlužovacích kabelů rozvěšených po stromech. Takto to vypadá, když ČVUT vyjede do přírody.

Klepněte pro větší obrázek
ČVUT v přírodě...

Seznamte se s týmem CTU-CRAS při Fakultě elektrotechnické ČVUT, který to má všechno na svědomí.

Softwarová duše

Češi doposud slavili úspěchy jak v soutěžní štole, tak v městském okruhu, kde poráželi věhlasné americké univerzity, ačkoliv měli omezené financování. Zatímco mnohé zámořské týmy podporovala přímo DARPA, a tak si mohly dovolit tu nejpokročilejší robotiku na trhu, naši studenti se museli zaměřit spíše na robotickou duši a vytáhnout z běžně dostupného hardwaru střední kategorie teoretické maximum.

Video: Jízda do jeskynního systému Býčí skály

Když tedy ve čtvrtek sezvalo ČVUT do nitra Býčí skály média, aby tu předvedlo efektní živou ukázku robotů pojíždějících sem a tam na dálkové ovládání, skutečná podstata jejich zámořského úspěchu spočívala spíše v tom, co se na kameru natočit nedalo – ve špičkovém softwaru, který dokáže velmi rychle analyzovat ohromné množství dat, což umožní tanku po ztrátě bezdrátového spojení s operátorem dokončit misi zcela autonomně a nespadnout kamsi do pukliny mezi stalagmity.

Pod kapotou Intel NUC a Ubuntu

Roboty pohání podle jejich typu lithiové, nebo olověné baterie a rozměrnější mašiny pak minipočítač Intel NUC s procesorem řady Core i7. Jako grafický akcelerátor pro náročné obrazové analýzy slouží (stárnoucí) prototypovací jednotky Nvidia Tegra TX2.

Veškerou softwarovou práci nakonec obstará Ubuntu a dnes už standardní a škálovatelná robotická platforma ROS (Robot Operating System), na kterou lze napojit všechny pohybové a analytické funkce včetně počítačového vidění a analýzy dat z laserového dálkoměru.

Klepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázek
Oběma typům kolových robotů vévodí rotační lidar různých typů

Pozemní pásová a kolová vozítka jsou vybavená několika typy dálkového spojení na bázi 2,4 GHz počínaje klasickou Wi-Fi a konče proprietární technologií a sadou optických senzorů. Tím klíčovým je lidar, laserový rotující dálkoměr, který znáte z technologie autonomních vozů nebo lepších autonomních vysavačů. Laserový paprsek si postupně osahává okolí a vytváří model prostoru okolo robotu, což mu pomáhá v navigaci.

Na vozidlech nakonec nechybí ani sada běžných kamerových modulů, které mají dohromady 360° záběr a mohou pomáhat jak v ruční dálkové navigaci, tak automatickému rozpoznávání předmětů pomocí neuronových sítí.

Video: Pásový tank s čelním lidarem v jeskyni

Když tedy v rámci soutěžní mise vyrazí robot do temnoty, jeho operátor se snaží co nejdéle udržovat rádiové spojení a hledat v obrazu z kamer klíčové předměty (třeba batohy). V umělé štole či přírodní jeskyni se však spojení brzy přeruší, a právě v ten okamžik nastupuje na řadu plná autonomie a důvtip inženýrů, ve kterém Češi doposud excelovali a který si v týdnu mohli natrénovat i v Býčí skále, jenž je běžně pro veřejnost uzavřená.

Robopavouk se protáhne skulinou, dron zase prolétne jeskynním komínem

Ztrátu signálu a pohyb robota ve složitém terénu mohou studenti vyřešit hned několika způsoby. V úvodu jsme si řekli, že Býčí skálu vedle pásových a kolových robotů obsadily také pavoučí stvůry sestavené ze servomotorů a drony.

Video: Dron v jeskyni a let pomocí lidaru

Soutěžní úkol proto mohou zdolat i všichni dohromady vlastní spoluprací. Zatímco dron se dostane do míst, kam nevyjede vozidlo, pavouk se může zase protáhnout úzkými skulinami. A může sloužit i jako předvoj, který zkontroluje jednu z cest, než na ni vyjede mohutné šedesátikilogramové vozidlo, jenž by v případě havárie v podstatě ukončilo celou misi.

Pavoučí meshová síť

Robotičtí pavouci mohou nakonec plnit ještě jednu unikátní roli – mohou vytvořit meshovou komunikační síť, takže když velký robot vjede do bludiště jeskynních prostor, signál nakonec přece jen dohopsá skrze hromadu pavouků ve vzájemné přímé viditelnosti až ven k operátorovi.

Klepněte pro větší obrázek
Pavuk může plnit roli polního průzkumníka, ale stejně tak by mohl pracovat třeba jako rádiový bod meshové sítě pro rozšíření spojení mezi člověkem a roboty kdesi v jeskyni

Jak vidno, mladí inženýři zde proto neřeší jen ty základní elektromechanické problémy – tedy jak vůbec uvést robota do správného pohybu, ale i jejich vzájemnou a smysluplnou kooperaci, která povede ke kýženému cíli: nalezení fiktivního ztroskotance kdesi v závalu.

Software na prvním místě

Hlavní roli opravdu hraje software. Ostatně, představte si třeba pohyb onoho robotického pavouka s hromadou serv. Zatímco u kolových nebo pásových vozidel stačí roztočit motor, v případě pavouka je třeba perfektně synchronizovat vzájemné pootočení všech robotických kloubů k tomu, aby udělal jeden zdánlivě primitivní krok.

Video: Pavouk v jeskyni

I naprostý laik si jistě dokáže představit, že takový pavouk má sice oproti kolovému vozidlu mnohonásobně více stupňů volnosti v pohybu, jenže o to složitější je zároveň takový pohyb vůbec naprogramovat a zkoordinovat.

Pokud čtete náš seriál o programování elektroniky, se servomotory jsme se už setkali. Takový pavouk ovšem používá poněkud chytřejší (a dražší) serva než ta, která pořídíte za pár dolarů na Aliexpressu. Servomotory v tomto případě totiž plní i roli smyslových senzorů. To znamená, že mají zpětnou vazbu.

Když některému z nich pošleme příkaz, aby se motor pootočil o 45°, software pavouka musí vědět, jestli k tomu opravdu došlo a jaký měl motor při práci odpor. Z těchto informací lze odhadnout třeba to, že je před pavoukem překážka, případně v jaké je orientaci vůči rovině, protože některá serva jsou náhle více zatěžovaná, než když je tíha robota rozložená na všechny nohy při jeho běžném postoji.

Kvanta údajů za jedinou sekundu

I když tedy není pavouk oproti kolovým robotům i kvůli svým malým rozměrům vybavený laserovým dálkoměrem, právě data z chytrých servomotorů s vlastní komunikační sběrnicí (a kamery RealSense) mohou posloužit k tomu, aby jeho firmware či operátor zjistili, kde přesně je.

Klepněte pro větší obrázek
Jeden z autonomních dronů krátce před startem v jeskyni. K navigaci bez GPS používá laserový dálkoměr i sadu pomocných kamer

A jelikož podobných dat sada motorů vytvoří za jedinou sekundu ohromné množství, i takový zdánlivě jednoduchý pavouk potřebuje velmi rychlou nízkoúrovňovou výpočetní jednotku, která vše analyzuje a v řádu milisekund vyplivne výsledek.

Namísto rychlých tradičních procesorů CPU nebo grafických akcelerátorů s podporou CUDA proto studenti z ČVUT experimentují třeba s programovatelnými integrovanými obvody FPGA a nakonec i prvky strojového učení, kdy se hledá způsob, jak systémem pokus-omyl naučit pavouka chodit.

Pro začátečníky z prváku simulátor, pro zkušené skutečný robot

Programování podobných atraktivních robotických platforem přitom není na ČVUT vyhrazeno výhradně pro ty nejzkušenější studenty a doktorandy. Ruku k dílu mohou přiložit i prváci, ČVUT má totiž k dispozici softwarový simulátor a poměrně velká část kódu celého projektu je i na Githubu.

S robotem si tedy může pohrát téměř kdokoliv ve virtuálním prostředí, může si zkusit programování nejrůznějších pohybových a analytických technik, no a když bude dobrý, možná se nakonec, dá-li koronavirus, podívá příští rok i na velké americké grandfinále. Nezbývá než držet palce.

Diskuze (9) Další článek: Google Mapy mají další vychytávku pro sdílená kola. Navigaci spojují s informacemi o stojanech

Témata článku: Technologie, USA, Roboti, Programování, Wikipedia, Wi-Fi, Brno, Česko, Drony, GPS, DARPA, Ubuntu, GitHub, UAV, ČVUT, Charlie, Robot, Jeskyně, Jeskynní systém, Dálkoměr, Robot Operating Systém, Pavouk, Česká republika, Netopýr, Urban Circuit


Určitě si přečtěte

Apple má šanci definitivně se uzamknout. macOS byl na jeho poměry až příliš otevřený

Apple má šanci definitivně se uzamknout. macOS byl na jeho poměry až příliš otevřený

** Apple, vývojáře i uživatele rozhodně nečekají dva roky prázdnin ** macOS se může uzavřít podobně jako iOS a iPadOS ** Přechod na Arm znamená stopku pro hackintoshe

Lukáš Václavík | 105

Vyrobíme si falešný Mac mini za tisícovku. Stačí Raspberry Pi a 3D tiskárna

Vyrobíme si falešný Mac mini za tisícovku. Stačí Raspberry Pi a 3D tiskárna

** Vyzkoušíme Raspberry Pi 4 s iRaspbianem ** Operační systém vypadá skoro jako macOS ** Vše strčíme do vlastní stylové krabice

Jakub Čížek | 31


Aktuální číslo časopisu Computer

Megatest: nejlepší notebooky do 20 000 Kč

Test 8 levných IP kamer

Jak vybrat bezdrátová sluchátka

Testujeme Android 11