Do stika je prišlo na podlagi našega članka iz prejšnje številke revije o letalnikih z več rotorji. V njem smo govorili o letalniku, primernem za preživljanje prostega časa ali zračno fotografiranje, na fakulteti pa nekoliko manjši primerek uporabljajo v raziskovalne namene. Eden od ciljev laboratorija za modeliranje, simulacije in vodenje in laboratorija za avtonomne sisteme, ki sta v sklopu katedre, katere predstojnik je prof. Borut Zupančič, je namreč tudi načrtovanje avtonomnih mobilnih sistemov.

Pri načrtovanju avtonomnega mobilnega sistema morajo raziskovalci upoštevati naloge, ki jih mora ta izvajati. Avtonomni sistem mora sam zaznavati okolico (prostor in predmete v njej), iskati želene cilje ter načrtovati in optimirati pot popolnoma samostojno, brez pomoči človeka. Pri tem se pojavijo različni problemi pri načrtovanju, kot je pravilno tolmačenje podatkov tipal, modeliranje in simulacija, algoritmi vodenja, načini razpoznave značilnosti prostora, lokalizacija (določanje trenutnega položaja čim bolj natančno) ter samodejna gradnja zemljevida.

RAČUNALNIŠKO PODPRT KVADROKOPTER

V Laboratoriju za avtonomne mobilne sisteme potekajo raziskave na kvadrokopterju X-3D nemškega podjetja Ascending Technologies. Ogrodje kvadrokopterja sestavljajo sendvič konstrukcija iz karbona in lahke balze ter nosilci iz magnezija, ki dajejo celotni konstrukciji togost in majhno težo. Na krakih konstrukcije so nameščeni štirje brezkrtačni motorji s plastičnimi elisami, ki zagotavljajo potreben potisk.

Srce kvadrokopterja je matična plošča AscTec AutoPilot z dvema procesorjema z jedroma ARM7 ter pripadajočimi senzorji − žiroskopi, pospeškometri, magnetometri ter tlačnim senzorjem. Prvi procesor je namenjen izključno nižjenivojskim operacijam, kot je stabilizacija kvadrokopterja v zraku, ki je zaradi majhne velikosti in nizke teže kvadrokopterja dokaj kompleksen proces. Ta stabilizacija omogoča pilotu upravljanje s kvadrokopterjem z uporabo klasične modelarske radijske postaje.

Akademska narava tega kvadrokopterja pa se odraža v dodatnem procesorju, ki je namenjen namenskemu programu za višjenivojsko vodenje, ki lahko prevzame nadzor nad kvadrokopterjem. V laboratoriju razvijajo sistem za avtonomno letenje preko slike, torej letenje brez posredovanja pilota človeka. Za ta namen je bil kvadrokopter opremljen z miniaturno videokamero ter sistemom za brezžični prenos slike. Ker sam kvadrokopter nima dovolj procesorskih zmogljivosti za izvrševanje kompleksnih nalog, kot sta razpoznavanje ter orientacija v okolici, potekajo te operacije v osebnem računalniku ter se nato rezultati operacij prek podatkovne brezžične povezave prenesejo nazaj v kvadrokopter. V višjenivojskem procesorju se ti podatki dodatno obdelajo ter izračunajo potrebni popravki položaja, ki se nato posredujejo nižjenivojskemu procesorju.

Trenutno kvadrokopter leti nad tlemi, in ko zazna tarčo v obliki od tal občutno drugačne črno-bele grafike (vzorca), sproži avtonomni pristanek nanjo. Razvoj, ki ga vodi mladi raziskovalec Matevž Bošnak, poteka v smeri načrtovanja sistema, ki bo sposoben avtonomnega letenja brez uporabe namenske tarče. Tak sistem se lahko opremi z dodatnimi senzorji, s katerimi se lahko izvedejo različne nadzorne operacije – nadzor prometa iz zraka v mestih središčih, iskanje ponesrečencev v primeru naravnih nesreč ipd.

LASERSKI VID

Pred vhodom v laboratorij smo na promocijskem zaslonu opazili film, ki prikazuje, kako se malo večji robot »podi« za manjšim, pri čemer ohranja enako razdaljo med njima in sledi njegovemu gibanju. Pozneje nam je raziskovalec Luka Teslić razložil, da je prvi robot v bistvu vozilce, ki ga za potrebe raziskav vodimo daljinsko, drugi pa je programiran tako, da mu čim verneje sledi, pri čemer se zanaša le na podatke, ki mu jih zagotavljajo vgrajena tipala. Glavno tipalo je 180-stopinjsko lasersko tipalo razdalje, s katerim si robot zgradi »sliko« prostora. Ultrazvočna tipala, razporejena po telesu robota, pokrivajo področje 360 stopinj okoli njega in se uporabljajo za varnost robota. Če se robot nenadoma znajde pred oviro, se ustavi. Robota je mogoče opremiti tudi s stereo kamero in drugimi tipali, saj je tako kot kvadrokopter pripravljen na nadgradnje. Nima pa vgrajenega računalnika, saj se je raziskovalec raje odločil, da bo nanj namestil prenosni računalnik. Tako je nadgradnja računalniških zmogljivosti robota veliko preprostejša.

Robot ima štiri kolesa ter dva motorja, pri čemer eden poganja obe levi, drug pa obe desni kolesi. Robot se obrača podobno kot gosenično vozilo in ima zato dobre manevrske sposobnosti.

Raziskave gredo v smer čim natančnejšega določanja trenutnega položaja v neznanem prostoru. Kar pa v praksi ni vedno tako preprosto, kot bi morda mislili. Robota je mogoče zunaj stavb preprosto in dokaj natančno lokalizirati s sprejemnikom GPS (Global Positioning System) sprejemnika. Znotraj stavb pa signal GPS ni dostopen, zato se mora robot zanesti na lastne senzorje. Določanje položaja izključno glede na meritve kotnih hitrosti koles robota ni najbolj natančno, saj se napaka, ki izhaja iz negotovosti modela gibanja robota, akumulira. Ta negotovost je posledica napake pri merjenju kotnih hitrosti koles, podrsavanja koles ter napačno ocenjenih parametrov modela. Zato si robot pri lokalizaciji pomaga z zemljevidom okolja, ki je zgrajen na podlagi podatkov tipal. Da robot lahko zgradi globalni zemljevid okolja, potrebuje informacijo o svoji legi v prostoru. Velja pa tudi obratno. Da se robot lahko lokalizira, potrebuje globalen zemljevid okolja. Zato robot sočasno gradi zemljevid okolja ter se lokalizira. Poznavanje lege mobilnega robota v prostoru je ključnega pomena za doseganje visoke stopnje avtonomnosti. Ko robot pozna svojo lego ter zemljevid prostora, je zmožen sam začrtati optimalno pot ter se pripeljati do cilja z namenom izvršitve zadane naloge. Tovrstne aplikacije so zanimive predvsem v okoljih, ki so za človeka nevarna oziroma nedostopna (radioaktivna območja ali strupeni plini znotraj stavb, oddaljeni planeti …) .

Dejavnost, ki jo opisujemo v prispevku, je povezana s študijsko smerjo avtomatika, ki ima na Fakulteti za elektrotehniko izjemno dolgo tradicijo. Študij daje poglobljeno znanje o metodah, gradnikih in orodjih, ki omogočajo večjo kakovost izdelkov, manjšo porabo energije, znižanje stroškov, razne ekološke izboljšave itd. Laboratorij za modeliranje, simulacijo in vodenje in Laboratorij za avtonomne mobilne sisteme uvajata koncept, po katerem se sisteme vodenja načrtuje s predhodnim razvojem računalniških modelov. Tak pristop omogoča snovanje izdelkov visoke tehnologije z veliko dodano vrednostjo. Znanja, ki se primarno uporabljajo za tehniške rešitve, pa so dosti širša, predvsem zaradi poudarka na modeliranju in simulaciji in pa dejstva, da je povratna zanka, ki je tako značilna za sisteme vodenja, prisotna tudi na številnih drugih področjih. Laboratorija zato že vrsto let sodelujeta s farmacevtskimi podjetji, s Fakulteto za farmacijo in z Medicinsko fakulteto na področjih bio in farmakogenomike ter medicine.

Moj mikro, marec 2011 | Marjan Kodelja |