Innovasjoner fra et Robot Rally


Den mest verdifulle og komplekse komponenten i et moderne kjøretøy er typisk også den mest upålitelige delen av systemet. Kjørulykker har vanligvis både en menneskelig årsak og et menneskelig offer. Til enkelte ingeniører - spesielt de som bygger roboter - det er et problem med en åpenbar løsning: Bytt ut den lett distraherte, lett trette sjåføren med en alltid oppmerksomme, aldri trøtt maskin. Det amerika

Den mest verdifulle og komplekse komponenten i et moderne kjøretøy er typisk også den mest upålitelige delen av systemet. Kjørulykker har vanligvis både en menneskelig årsak og et menneskelig offer. Til enkelte ingeniører - spesielt de som bygger roboter - det er et problem med en åpenbar løsning: Bytt ut den lett distraherte, lett trette sjåføren med en alltid oppmerksomme, aldri trøtt maskin.

Det amerikanske militæret, som har mistet soldater til veikantbomber i Irak i flere år, er spesielt opptatt av denne ideen. Men i 2002 hadde mer enn et tiår med militærfinansiert forskning på autonome kjøretøyer produsert bare noen få sakte og klumpete prototyper.

På det samme året godkjente Pentagon sitt forsvarsforskningsprosjektbyrå (DARPA) for å ta en ukonvensjonell tilnærming: en offentlig konkurranse med en premie på 1 million dollar. DARPA-regissøren Anthony J. Tether, i februar, annonserte at Grand Challenge - den første langdistanse løp for førerkjøretøyer - skulle bli holdt i Mojave-ørkenen i mars 2004. Da ingen robot fullførte kurset, doblet DARPA prisen og planla en andre løp, gjennom en annen del av ørkenen, for oktober 2005.

Poenget med Grand Challenge var ikke å produsere en robot som militæret kunne flytte direkte til masseproduksjon, sier Tether. Målet var å stimulere ingeniørfellesskapet til å takle de mange problemene som må løses før kjøretøy kan styre seg trygt i høy hastighet over ukjent terreng. "Vår jobb er å ta den tekniske unnskyldningen fra bordet, slik at folk ikke lenger kan si at det ikke kan gjøres, " forklarte Tether ved kvalifiseringen som ble avholdt 10 dager før 8. oktober.

Klart kan det gjøres - og gjort på mer enn én måte. Denne gangen gikk fem autonome kjøretøy over målstreken, fire av dem navigerte på 132-milsbanen i løpet av de 10 timene som kreves for å være kvalifisert for pengepremien.

Viktigere enn selve løp er innovasjonene som er utviklet av Grand Challenge-team, inkludert noen som ikke klarer å fullføre robotene eller til og med å kvalifisere seg for løpet. Disse oppfinnelsene gir byggeklosser for en kvalitativt ny klasse jordkjøretøy som kan bære varer, plovfelt, grave miner, haul smuss, utforske fjerne verdener - og ja, slåss slag - med liten eller ingen menneskelig innblanding.

"Potensialet her er enormt, " insisterer Sebastian Thrun, direktør for Stanford Universitys kunstige intelligenslaboratorium og også leder av sitt racerteam. "Autonome biler vil være like viktige som Internett."

Fra her til der

HVIS ROBOTIKK ER NOENSINNE Å FØLGE Thruns dype forutsigelse, må den hoppe tekniske hindringer noe høyere enn de som dannes av DARPAs konkurranse. Grand Challenge definerte imidlertid mange av de riktige problemene. For å lykkes i et slikt løp må kjøretøyer først plotte en rask og gjennomførbar rute for den lange reisen fremover. Deretter må robotene spore plasseringen nøyaktig og finne veien (hvis det er en), så vel som eventuelle hindringer i veien for dem. Til slutt må maskinene planlegge og manøvrere over en sti som unngår hindringer, men forblir på stien, spesielt ved høy hastighet og på glatt terreng.

To timer før begivenheten startet, avslørte DARPA-tjenestemenn kurset ved å utlevere en datafil som opplistet 2.935 GPS-veipunkter - en virtuell sti med brødkrummer, en plassert hver 237 fot i gjennomsnitt, for robotene å følge pluss hastighetsgrenser og korridorbredder . Mange lag kopierte denne filen til robotene deres uendret. Men noen brukte tilpasset programvare for å prøve å skreddersy en rute raskt innenfor den tillatte korridoren som kunne vinne løpet.

Red Team, basert på Carnegie Mellon University, hevet denne oppdragsplanleggingsoppgaven til et militært nivå av raffinement. I et mobilt kontor satt opp nær startskjermene, ventet 13 rute redaktører, tre hastighets settere, tre ledere, en statistiker og en strateger for DARPA-CDen. Innen få minutter etter ankomst begynte et "preplanning" -system som teamet hadde bygget med hjelp fra Science Applications International Corporation, en stor forsvarsentreprenør, å overlegge raseområdet med bilder fra en 1, 8-terabyte-database som inneholdt tre foters oppløsning og luftfotografier, digital-elevasjonsmodeller og laserskannede veiprofiler samlet i nesten 3000 kilometer med rekognosjonskjøring i Mojave.

Systemet opprettet automatisk startruter for Sandstorm og H1ghlander, lagets to racere, ved å konvertere hvert vertex til en kurve, beregne en sikker hastighet rundt hver kurve og slå de høyeste tillatte hastighetene ned til grenser som er avledet fra måneder med ørkenforsøk i Nevada Automotive Testing Center. Programvaren delte deretter kurset og den opprinnelige ruten inn i segmenter, og lederen tildelte ett segment til hver raseeditor.

Flipping blant bilder, topografiske kart og rekognosjonsskanninger, redigerte redaktørene ruten for å ta stramme svinger som en rase driver ville, og å vike bort fra klippekanter. De merket "sakte" noen avdelinger nær portene, washouts og underpassene; Segmenter på asfalterte veier og tørre sjøsenger ble tildelt "kjedehastighet".

Ledere repeterte gjentatte ganger segmenter slik at minst fire par øyne gjennomgikk hver del av ruten. I mellomtiden panserte lagledere over histogrammer av projiserte hastigheter og estimater av forløpt tid. Teamleder William "Red" Whittaker bestilte ferdigstillelsestider på 6, 3 timer for H1ghlander og 7, 0 timer for Sandstorm, og systemet justerte de kommandoer som ble gjort for å gjøre det slik.

Hitting the Road

Veibeskrivelse-ørkenveier mer enn de fleste, så ingen kart er helt og holdent oppdatert. Og selv den perfekte ruten har ingen verdi, med mindre roboten alltid vet hvor den er og hvor den skal gå neste. Hvert kjøretøy i Grand Challenge var utstyrt med differensielle GPS-mottakere. De er generelt nøyaktige til bedre enn tre fot, men overpasser og kløfter blokkerer GPS-signalet, og det skifter noen ganger uforutsigbart.

De fleste lagene har dermed lagt til andre sporingssystemer for sine roboter, vanligvis inertielle navigasjonssystemer som inneholder mikroelektromekaniske akselerometre eller fiberoptiske gyroskoper. Men to av konkurrentene opprettet teknologier som lover å være mer nøyaktige eller billigere, eller begge deler.

Et team av videregående studenter fra Palos Verdes, California, fant inspirasjon i den optiske musen som ble brukt med stasjonære datamaskiner. De installerte en lys lampe i Doom Buggy-roboten og ledet det hvite lyset på bakken gjennom optisk slange. Et kamera rettet mot lyspunktet plukker opp bevegelse i en hvilken som helst horisontal retning, som fungerer som en todimensjonal kilometerteller nøyaktig til en millimeter. "Vi kaller det GroundMouse, " sier teammedlem Ashton Larson.

Teamet Intelligent Vehicle Safety Technologies (IVST), bemannet av profesjonelle ingeniører fra Ford, Honeywell, Delphi og Perceptek, brukte en lignende teknikk på sin autonome truck. En radar rettet mot bakken registrerer Doppler-skift i frekvensen av den reflekterte strålen, hvorfra roboten beregner relativ bevegelse med høy presisjon. Når kjøretøyet mister GPS-fikseringen på sin posisjon, kan det falle tilbake på døde rangeringsnavigasjon fra radarens kilometerteller.

I ørkenen har selv menneskelige drivere noen ganger problemer med å plukke ut en smusssti. Det krever veldig smart programvare for å diskriminere terreng som trolig ikke er veien fra terreng som sannsynligvis ikke er. Slike programvare, sier Tether, "er en stor del av det jeg kaller" hemmelig saus "som gjør at denne teknologien fungerer."

Opplevelsen av Grand Challenge antyder at for roboter gir laserskannere den beste utsikten for denne oppgaven. Ved å raskt feie en infrarød laserstråle over en verdensside foran maskinen, skaper en skanner en tredimensjonal "punktsky" av miljøet. En enkelt laserstråle kan ikke dekke både fjerne gjenstander og nærliggende vei med tilstrekkelig trohet, så en robot bruker vanligvis flere i konsert.

Flere lasere er ikke nødvendigvis bedre. IRV, Indy Robot Racing Teamets autonome Jeep, sported 11. Men da bilens sensorer ble slått ut av justering, løp det over høballer, ble brann og ble eliminert i løpet av kvalifikasjonsrunden. Uten nøyaktig kalibrering plasserer laserskannere hindringer på feil sted på roboten sitt indre kart, og trekker kjøretøyet inn i de svært objekter som det prøver å unngå.

David Hall of Team DAD, en tomansoperasjon fra Morgan Hill, California, opprettet en ny lasersensor som adresserer kalibreringsproblemet ved å fikse 64 lasere inne i en motorisert sirkulær plattform som virker 10 ganger i sekundet [ se boksen under ]. En bank med hurtige digitale signalprosessorer, programmert i lavnivåsamlingsspråket, håndterer oversvømmelsen av data. I prerceforsøk var sensoren i stand til å plukke ut hindringer på størrelse med en person fra opptil 500 meter unna.

Det røde laget tok en annen, men like innovativ tilnærming med sine to roboter. Hver bærer en enkelt langdistanse laser som kan gjøre jobben til mange, fordi det svinger, ruller og nikker på toppen av en leddarm kalt en gimbal. Beskyttet av en kuppel og vindrute som ser ut som et gigantisk øyeboll på toppen av roboten, kan laseren vippe opp eller ned når kjøretøyet klatrer eller faller ned. Når roboten nærmer seg en sving, svinger gimbalen til venstre eller høyre, og holder øynet trent på veien.

Red Team ingeniører monterte også fiberoptiske gyroskoper til hver av de tre aksene i gimbalen og koblet dem via et tilbakemeldingssystem til aktuatorer som stabiliserer laseren, slik at den holder seg stabil selv når kjøretøyet hopper under det. Teamet klarte ikke å integrere stabiliseringsevnen med robotenes andre systemer i tide for å bruke den til løpet.

En vei til fremtiden

UANSIKTIG Som lasere synes å være, har de sine ulemper. På $ 25.000 til over $ 100.000 hver, er prisen på langdistanse laserskannere formidabel. Andre typer sensorer, som videokameraer og radarer, kan se lengre og koste mindre. Likevel har disse sine egne svakheter, og de produserer torrenter av data som er uhyre vanskelig å tolke.

Mange lag utstyrt sine roboter med en kombinasjon av sensorer. Men bare noen få lyktes i å bygge systemer som kunne integrere de ulike perspektiver for å utlede en trygg og rask vei framover - og gjøre det mange ganger i sekundet.

Team Terramaxs 15-tons robuste Oshkosh-lastebil fullførte kurset, takket være en roman "trinocular" visjonssystem designet av Alberto Broggis gruppe ved Universitetet i Parma i Italia. Programmet velger blant tre mulige par kameraer for å få en nøyaktig stereobilde av nær, medium eller fjernt terreng. Jo høyere hastighet, desto lengre ut robotbåten.

Etter konkurransen reflekterte Thrun at en av de viktigste fordelene ved Stanford-teamets Stanley-robot, som vant løpet og $ 2 millioner, var sin visjonsbaserte hastighetsbryter. Stanley bruker en enkel, men kraftig form for maskinlæring til å treffe gassen når den ser en jevn vei som strekker seg inn i avstanden [ se boks på side 88 ].

Noen av innovasjonene med størst rekkevidde oppsto imidlertid på roboter som aldri nådde målstreken. IVST-teamet, for eksempel, viet ørkenforsøk for å oppdage de optimale sensorkonfigurasjonene for ørkenskildpadden i en rekke "sammenhenger", som for eksempel sponstiersti, asfaltert motorvei eller interstate underpass. Som roboten kjører, forklarer teamleder William Klarquist, "kjøretøyet velger en passende kontekst som slår av noen sensorer, bytter på andre, og overfører tilstedeværelsen som den plasserer i hver enkelt." Denne teknikken skal tillate en robot å flytte fra ørkenen å si, jordbruksland og gjør det fortsatt godt ved å laste inn et nytt sett av sammenhenger.

I IRV demonstrerte Indy Robot Racing Team et "plug and play" -system for sensorer, en funksjon som sannsynligvis er en forutsetning for å skape en autonom bilindustri. Det fjerntliggende teamet med mer enn 100 ingeniører trengte en måte å bytte sensorer og programvare moduler inn og ut av roboten, da deltakerne testet og raffinerte systemet. Så oppfunnet de en nettverksprotokoll (analog med hypertekstoverføringsprotokollen som weben kjører) for autonom kjøring.

Hver sensor på IRV plugger seg inn i en dedikert datamaskin, som koker rådataene ned til et sett med hindringskoordinater og -størrelser, og oversetter da det til nettverksprotokollen. Hver sensordatamaskin sender sin hindringsliste til alle andre sensorer og til robotens sentrale baneplaneringscomputer. Standarden gjør det mulig å fjerne en funksjonsradar eller oppgradere en buggyvisningsalgoritme like enkelt som å bytte et dekk.

Kort tid etter at støvet hadde avgjort fra Grand Challenge, annonserte DARPA at det skulle holde en ny robotturnering, kalt Urban Challenge, i november 2007. Denne gangen var kurset mye kortere - bare 60 miles - og fulgte asfalterte veier med lave hastighetsgrenser i en forstad innstilling på et forlatt US Air Force base. Men vanskelighetsnivået ble hevet av en ny slags hindring: menneskedrevne biler som kjører mellom roboter og gjennom fireveis kryss i banen. Mange av de 11 roboter som ble kvalifisert for den siste hendelsen ble bygget av lag som hadde gjort det bra i Grand Challenge, inkludert Stanford, Carnegie Mellon og Oshkosh. Syv av robotkonkurrenterne spilte spinning-lasersystemet oppfunnet av Team DAD, som nå selges av Velodyne som et kommersielt produkt, og Oshkosh beholdt trinokularvisjon på sin Terramax-lastebil. Ingen av Urban Challengers brukte en stabilisert gimbal, men Stanfords autonome Passat brukte lite av programvaren som ledet Stanley til en seier i 2005.

Automatene var pålagt å adlyde California trafikklover, og dommere trekkes fra poeng for hvert bevegelige brudd, for eksempel når Massachusetts Institute of Technology's Talos (som til slutt plasserte fjerde) kollidert med Cornell Universitys Skynet robot. Terramax ble diskvalifisert når den nesten slo seg inn i en bygning. Carnegie Mellons Boss, bygget fra en Chevy Tahoe, snudde seg i den raskeste, reneste forestillingen og tok $ 2 millioner i premieprisen. Stanfords Junior robot vant andreplass og $ 1 million, mens Virginia Techs Victor Tango-kjøretøy opptjente $ 500 000 for tredje.

Spurt om regjeringen ville sponsere enda et roboterløp, sa DARPAs Tether nei. Men militæret er tydelig interessert i å robotisere sine forsyningskonvoder, en ledelse som Oshkosh aktivt forfølger. Whittaker og andre håper å overtale NASA til å sende et autonomt kjøretøy til månen. Og kommersielle investorer har sirklet. Så hva annet skjer, vil disse robotene fortsette å bevege seg.

Denne artikkelen ble opprinnelig utgitt med tittelen "Innovasjoner fra et Robot Rally" i SA Special Editions 18, 1s, 80-88 (februar 2008)

Sporty Science: Mekanikken i et karnevalspillGamle romerske metall brukt til fysikkeksperiment ignorerer vitenskapsfudPartikler funnet å reise raskere enn lysets hastighetDenne uken, verdensmøtet om endring av menneskene, utforsker etiske grenserAstronomer Bruk Shadowy Alien Worlds til peer Inside StarsAnbefalt: Princeton Field Guide til DinosaurerFree-Fall Forensics: Flytende dråper Gjør nysgjerrige kratereOppdrett et gift for å holde avlinger sunt