Студент ТПУ создает автономного гексапода
Максим Рудь — один из победителей регионального смотра — конкурса УМНИК, его изобретение позволит быстро и без участия человека исследовать труднодоступную местность, проводить спасательные операции и осуществлять военную разведку.
Движение по-новому
В течение 2014 года студент Института кибернетики Максим Рудь работал над проектом «Система управления роботом-гексаподом с использованием GPU-ускорения». Его целью стало создание автономного робота, обладающего системой технического трехмерного зрения и использующего эволюционную модель движения, копирующую движения животных.
В настоящее время роботы, имитирующие движения представителей животного мира, становятся популярными среди исследователей. Они открывают небывалые возможности в передвижении, недоступные привычным гусеничным и колесным роботам. Например, робот-змея может двигаться как по земле, так и под водой и, соответственно, решать довольно сложные технические задачи. Робот-паук, или гексапод, способен преодолевать ступени, многочисленные препятствия на пересеченной местности и перемещаться в замкнутых пространствах.
— Основное отличие в двигательной части моего робота — умение адаптироваться к потере конечностей, — пояснил Максим. — Если одна или две ноги выйдут из строя, гексапод на ходу перестроит модель движения и сохранит не только равновесие, но и способность передвигаться.
Чтобы во время перемещения не натыкаться на стены или иные препятствия, робот-паук будет оборудован системой ультразвуковых сенсоров, лазерным датчиком, дающим информацию о расстоянии до окружающих объектов, и камерой с высоким разрешением.
Суперзрение с графическим процессором
Однако основная задача проекта связана не столько с конструктивными особенностями робота, сколько с разработкой системы управления. По замыслу автора будущий гексапод будет действовать автономно. Он сможет локализовать себя на местности, строить карты и распознавать образы и объекты.
Решить поставленные задачи призвана система технического трехмерного зрения, способная определить материал, из которого сделаны окружающие робота предметы, будь то кирпичная стена, дерево, трава или вода.
— С помощью камеры определяется текстура поверхности, — рассказал победитель конкурса УМНИК. — В зависимости от нее принимается решение: можно ли двигаться сквозь объект, например траву, или необходимо обойти препятствие, если это камень.
До недавнего времени создание интеллектуального гексапода, способного анализировать многочисленные видеоданные и принимать решения, было практически невозможно. Перечисленные задачи обладают высокой вычислительной сложностью и требуют мощных компьютеров. Это неприемлемо для компактного шагающего робота, который может нести на себе лишь небольшую плату, сенсоры и аккумулятор.
Ключом к решению научной проблемы стало использование другого типа процессора — параллельного графического (GPU). В любом компьютере есть центральный и графический процессоры. Последний своей природой предназначен для обработки изображений, то есть для технического зрения.
— Параллельное программирование и параллельное вычисление на графических процессорах — не слишком распространенное, но весьма перспективное направление IT-технологий, — пояснил Максим Рудь.
Симбиоз графического и центрального процессоров обеспечивает высокую энергоэффективность всех вычислительных процессов, что приводит к повышению производительности до 30 раз по сравнению с традиционной системой вычисления. В результате для автономного функционирования гексапода будет достаточно пары небольших аккумуляторов, с помощью которых робот будет функционировать 7–9 часов.
В своем проекте студент ТПУ использовал одноплатный компьютер от фирмы NVIDIA. Это единственный на рынке одноплатный компьютер, поддерживающий вычисления GPU. Новая плата стала доступна только летом прошлого года, поэтому проектов на ее основе пока что нет.
— Гексаподы, существующие сегодня, способны лишь передвигаться, не более того, — отметил Максим. — Разрабатываемый мной робот будет выполнять сложнейшие технические задачи. У него пока нет прямых аналогов.
Область применения
По замыслу автора проект «Система управления роботом-гексаподом с использованием GPU-ускорения» ориентирован прежде всего на создание уникального робота-разведчика, способного производить картографическую съемку в труднодоступных для человека условиях: горах, шахтах, пустынях. Автономный робот сможет сделать детальную съемку местности, построить карту заброшенной шахты или городского подземелья, определить глубину горного разлома или впадины, а также принести небольшие образцы грунта или породы для исследований.
Не менее важный плюс гексапода — возможность работать в неблагоприятных условиях окружающей среды, опасной для человека. Например, после ядерной катастрофы при повышенном радиационном фоне робот проведет замеры счетчиком Гейгера, обследует местность и сделает видеосъемку. Он также сможет действовать и в условиях сильного задымления, когда есть угроза отравления продуктами горения вследствие лесного пожара, извержения вулкана или техногенной катастрофы.
Во всех перечисленных чрезвычайных ситуациях главная задача — спасение и поиск пострадавших людей. В неблагоприятных для человека условиях робот-паук станет незаменимым разведчиком, способным с помощью тепловых и ультразвуковых датчиков обнаружить людей под завалами, в шахтах, в туннелях метро, под обломками зданий или в сильно задымленных помещениях.
Еще одна возможная область применения гексапода — это военная разведка для спецслужб, министерства обороны и полиции. Будущий робот сможет незаметно производить съемку дислокации войск противника, находить взрывные устройства в труднодоступных для человека или поисковой собаки местах и участвовать в контртеррористических операциях, снимая происходящее в захваченном здании. Кроме того, можно использовать сразу несколько роботов-пауков, взаимодействующих друг с другом для разведки на обширной территории.
В мирных условиях гексапод можно использовать для поиска засоров и анализа проходимости вентиляционных шахт и всевозможных трубопроводов. Так, в нефтегазовой отрасли робот будет искать возможные протечки и некачественные сварные швы в трубах.
Сегодня Максим Рудь работает над системой управления: делает необходимые вычисления и строит теоретическую модель будущего робота. Программные расчеты и плата, которая станет «мозгом» гексапода, уже готовы. В марте будущего года он планирует принять участие в конференции по параллельным вычислениям, которую ежегодно организует компания NVIDIA — мировой лидер в области визуальных вычислений. На конференции студент ТПУ представит свой проект — программную оболочку для робота-гексапода.
— На сегодняшний день моя задача — разработать базовое программное обеспечение, — отметил Максим. — В дальнейшем его можно будет модернизировать и адаптировать под конкретные нужды заказчика.
Особенности робота-паука
Лариса Богомазова