Aktuální vydání

celé číslo

11

2019

Využití robotů, dopravníků a manipulační techniky ve výrobních linkách

Průmyslové a servisní roboty

celé číslo

DARPA Urban Challenge 2007 – velký den pro robotiku

Konec minulého roku se stal milníkem na cestě automatizace automobilové dopravy. Konal se již třetí ročník závodu autonomních dopravních pozemních prostředků organizovaný agenturou DARPA s názvem Urban Challenge. Tento ročník byl zlomový v tom, že robotická auta již nezávodila v neobydlené poušti, ale vyrazila do „běžného městského provozu“.
 
Jednou z úloh, které americká armáda v současnosti řeší, je vývoj a využití bezobslužných létajících, námořních a pozemních dopravních prostředků, které pomohou omezit lidské ztráty při řešení rizikových úkolů. Jde o prostředky s různým stupněm autonomie, od zařízení dálkově řízených operátorem až po plně autonomní dopravní prostředky s vlastní inteligencí.
 
Zatím největšího uplatnění dosahují létající bezpilotní systémy (Unmanned Aerial Vehicle – UAV), určené pro úkoly od získávání informací v zájmové oblasti až po vlastní bojové nasazení typu „vyhledej a znič“. U leteckých sil stále převládá názor, že je třeba lidské řízení činnosti těchto prostředků (např. při navádění a odpalování řízených střel), neboť lidské rozhodování v reálném čase nebylo u ozbrojených UAV zdaleka překonáno.
 
V roce 2002 vlastnila americká armáda 127 UAV s dobou nasazení 30 000 operačních hodin a v roce 2006 to už bylo 520 AUV a 160 000 operačních hodin nasazení. Pentagon plánuje, že v příštích deseti letech utratí v této oblasti 55 miliard dolarů.
 
V námořní službě jsou bezobslužné podvodní prostředky využívány pro úkoly, jako je např. vyhledávání min nebo získávání citlivých informací.
 
Pozemní bezobslužné dopravní prostředky jsou součástí např. armádního programu Future Combat Systems (bojové systémy budoucnosti), který obsahuje pozemní bezobslužné dopravní prostředky od malých (od 15 kg) až po velké (2,5 t) přepravní a víceúčelové prostředky. Již nyní pozemní síly v Iráku a Afghánistánu používají malé roboty pro vyhledávání a  zneškodňování nastražených min a bomb.
 
U pozemních bezobslužných dopravních prostředků, na rozdíl od UAV, směřuje vývoj k plně autonomnímu provozu.
 

Historie závodů DARPA Grand Challenge

DARPA Grand Challenge jsou soutěže autonomních pozemních dopravních prostředků. První ročník se konal v roce 2004 v Mohavské poušti na dráze délky téměř 230 km. Trasa vedla z Barstowa v Kalifornii do Primmu v Nevadě. Vypsaná odměna pro vítěze byla ve výši jednoho milionu dolarů, ale nikdo z patnácti účastníků neprojel cílem, takže odměna nebyla vyplacena. Pořadatelé přesto byli s dosaženými výsledky nadmíru spokojeni a závod přirovnali k prvnímu letu bratří Wrightových, kteří sice také neletěli daleko, nicméně ukázali světu, že je to možné.
 
Další závod DARPA Grand Challenge se konal o rok později opět na dráze v poušti, tentokrát o délce 211 km a s časovým limitem 10 h. Vypsané odměny činily pro vítěze dva miliony dolarů, jeden milion za druhé místo a 500 tisíc dolarů za třetí místo. Vítězem se stal Stanford Racing Team v čase 6 hodin a 53 minut s vozem Volkswagen Touareg R5 Diesel s názvem Stanley. V časovém limitu dojely do cíle ještě další čtyři vozy, a to v pořadí Sandstorm, H1ghlander, KAT-5 a šestnáctitunový obr na bázi vojenského speciálu TerraMax. Finále se zúčastnilo celkem dvacet tři týmů. (Více informací lze získat na http://www.darpa.mil/grandchallenge05/)
 

DARPA Urban Challenge 2007

DARPA Urban Challenge 2007 byl již třetí ročník tohoto závodu, ale na rozdíl od prvních dvou ročníků, které se konaly na určené dráze v poušti, probíhal třetí ročník závodu na vojenské základně George Air Force Base ve Victorville, jejíž zařízení je určeno pro trénink bojových operací v městské aglomeraci. Robotické automobily se musely stát účastníky dopravního provozu, projet křižovatkami, objet kruhové objezdy a zajet na parkoviště. Po celou dobu se musely vyhýbat ostatním účastníkům závodu, dalším padesáti civilním vozům a pevným překážkám. Navíc za porušení kalifornských dopravních předpisů hrozila diskvalifikace. Po celý závod nesměl nikdo sedět na místě řidiče nebo ovládat dálkové řízení. Místo toho řízení automobilu ovládaly zabudované výkonné počítače, množství senzorů a vysoce specializovaný software. Trasa měřila 96 km a časový limit byl stanoven na šest hodin. Soutěže se celkem zúčastnilo 89 týmů, z nichž se do finále probojovalo jedenáct vozů (tab. 1).
 
Vozy vyjížděly na finálovou trať ve dvouminutových intervalech a do celkového času se započítávaly penalizace za chyby během jízdy, takže výsledky nebyly vyhodnoceny okamžitě. Nakonec byl nejrychlejší Boss týmu Tartan Racing. Dráhu projel průměrnou rychlostí 22,5 km/h s náskokem dvacet minut před druhým vozidlem, kterým byl ostře sledovaný vůz Junior týmu Stanford Racing, nástupce vítěze druhého ročníku závodu DARPA Challenge. Třetí dojel tým Victor Tango, resp. jejich vůz Odin (obr. 1).
 
Ne vždy všechno probíhalo hladce. Ihned po startu měl problémy Boss týmu Tartan. Údajně byla jeho řídicí technika negativně ovlivněna nedaleko stojícím televizním přenosovým vozem. Problém byl naštěstí vyřešen – stačilo vypnout jeden monitor, který rušil příjem signálu GPS, a Boss pokračoval v závodě. Další, kdo měl na startu potíže, byl Desert Tortoise, který po startu udělal čelem vzad, pokusil se najet na rozhodčí a musel být restartován. Problémy měl i tým Oshkosh Truck, jehož TerraMax najel na obrubník a v následném manévru trefil zeď budovy. O vzrušení se postaral i Talos týmu MID, který při předjíždění konkurenčního vozidla Skynet svého soka naboural.
 
Z bezpečnostních důvodů bylo každé robotické vozidlo během závodu doprovázeno člověkem ve vozidle vybaveném tlačítkem nouzového zastavení, které by robotické vozidlo okamžitě zastavilo, kdyby se začalo chovat nebezpečně.
 

Sláva vítězi

První cenu si tedy odnesl společný tým studentů Carnegie Mellon University a společnosti General Motors, pojmenovaný Tartan Racing, s vozem Boss (obr. 2).
 
Boss je vybaven výpočetním systémem založeným na deseti procesorech Intel Core2 Duo a pro jeho programování technici využívají společné vývojové prostředky založené na operačním systému Linux (Ubuntu Linux 6.06 LTS). Výsledný program obsahuje téměř 500 000 řádků kódu. Řídicí systém analyzuje a vyhodnocuje informace od devatenácti senzorů a systémů určování pozice. Získané údaje jsou vyhodnocovány pětkrát za sekundu, což odpovídá době reakce lidského řidiče. Za tuto dobu zpracuje řídicí systém přibližně sto úloh, z nichž polovina se týká zpracování získaných údajů a druhá polovina zahrnuje rozhodovací procesy, plánování chování, řízení pohybu atd. (obr. 3). Systém autonomního řízení vygeneruje za dvanáct hodin zhruba terabyte telemetrických dat. Pro vnímání okolí využívá data z radaru, kamery a systému GPS.
 
Boss je osazen radarovým systémem firmy Continental, který je kombinací komerčního typu radaru a techniky nové generace, a laserovými senzory od firem Velodyne a Sick.
 
Je zajímavé, že první tři vozy a celkem dvě třetiny zúčastněných týmů využívaly pro získávání informací o okolí právě senzory Sick LMS (Laser Measurement System; obr. 4). Tyto senzory mapují situaci do vzdálenosti přibližně dvacet pět metrů. Pro delší vzdálenost, až 150 metrů, jsou použity jiné radarové senzory, které pracují s méně detailním rozlišením a nejsou schopny detailně určit, o jaký typ překážky jde. Firma Sick nejenže technicky podporovala většinu týmů, ale i sama do závodu postavila tým LUX (do finále se však nekvalifikoval).
 
Stejně jako další finalisté, využívá i Boss pro určování polohy standardní systém Applanix, který kombinuje určování pozice pomocí GPS s daty inerciální souřadnicové soustavy.
 
Tým Tartan Racing postavil dva identické vozy, se kterými v rámci testování a dolaďování najel přes dva tisíce mil v autonomním režimu. Při testování zpracovávali členové týmu získaná vstupní data pomocí animačního programu TROCS, který jim umožnil pochopit a optimalizovat chování vozu v závislosti na získaných datech.
 
Jak prohlásil jeden člen vítězného týmu: „Není tolik důležité, co využíváte, ale jak to využíváte.“ Při stavbě vozu Boss byly totiž použity sice moderní, ale jinak běžně dostupné prvky.
 

A proč to všechno?

Na první pohled se může zdát, že aktivity typu DARPA Urban Challenge jsou jednoúčelové záležitosti určené pouze pro vojenské využití, jako je bezpečná doprava materiálu v nebezpečných zónách, vyhledávání min a nastražených náloží a realizace dalších nebezpečných misí bez ohrožení lidských životů. Při pozornějším pohledu je ale zřejmé, že mnohé použité technologie brzy najdou své uplatnění v asistenčních systémech vozů pro včasné odhalení a eliminaci hrozícího nebezpečí, jako jsou překážky v jízdě, neočekávané chování účastníků provozu, orientace za špatné viditelnosti, ovládání vozu na náledí atd. Jen kolik životů je při jízdě autem ohroženo pro požití alkoholu, drog, kvůli únavě, nesoustředěnosti nebo náhlým změnám zdravotního stavu řidiče. A přiznejme si, že by nebylo vůbec špatné, kdyby naše auto umělo samo elegantně zaparkovat.
 

Užitečné odkazy:

– Darpa Urban Challenge: http://www.darpa.mil/grandchallenge
– Tým Tartan Racing: http://www.tartanracing.org
– Darpa Urban Challenge na stránkách Sick: http://www.sick.cz/gus/industry/industry_solutions/darpa/en.html
– Laserový skener LMS 291-S05: http://www.sick.cz, záložka Průmyslové bezpečnostní systémy, Laserové skenery
Ing. Rostislav Kareš
 
Obr. 1. Vítězná vozidla v cíli
Obr. 2. Vozidlo Boss týmu Tartan Racing, výherce DARPA Urban Challenge 2008
Obr. 3. Schéma systému senzorů vozu Boss
Obr. 4. Laserový skener Sick
 
Tab. 1. Týmy a vozy, které se kvalifikovaly do DARPA Urban Challenge 2007
Tab. 2. Technické údaje vozu Boss
Tab. 3. Technika vozu
 

DARPA

DARPA (Defense Advanced Projects Agency) je centrální výzkumná a vývojová organizace resortu obrany USA. Pro tento resort organizuje projekty základního a aplikovaného výzkumu a vývoje.
 
Agentura byla založena v roce 1958 prezidentem Eisenhowerem, a tak letos, 10. dubna 2008, uspořádala ve Washingtonu v hotelu Hilton velkolepou oslavu a přehlídku padesáti let činnosti. Její vznik byl inspirován nepříjemným překvapením pro tehdejší resort obrany USA, kterým bylo vypuštění družice Sputnik Sovětským svazem a jeho náskok v dobývání kosmu. Od té doby se DARPA snaží zabránit takovýmto technickým překvapením pro USA, a naopak technicky překvapit své protivníky. Při své činnosti spolupracuje s mnoha vysokými školami a podniky jak obranného, tak i civilního resortu. Výčet úloh, které DARPA úspěšně řešila, by vydal na samostatný článek. Agentura např. stála na začátku „informační revoluce“: stála u zrodu sítě jménem Arpanet, jež se vyvinula do nyní běžně využívaného internetu.