S robotickými drony do podzemí Moravského krasu

Jeskyně Býčí skála v Moravském krasu se proslavila především unikátním archeologickým nálezem, který dodnes vzdoruje vědeckému vysvětlení: roku 1872 tu amatérský archeolog Jindřich Wankel vykopal zohavené kostry několika desítek mladých žen, zdobený vůz, kovářskou dílnu a řadu cenností pocházejících z halštatského období (přibližně 750 až 450 př. n. l.). Jeskynní systém tvořený podzemním tokem Jedovnického potoka se podařilo v celé délce prozkoumat teprve nedávno, kdy se ukázalo, že se svou délkou okolo 15 kilometrů je druhou nejdelší jeskyní u nás. A pořád ještě je tu co objevovat, což je i jeden z důvodů proč se tu objevily roboty a drony z Fakulty elektrotechnické ČVUT (FEL ČVUT).

Býčí skála není běžně přístupná, ale pokud jste sem dorazili 23. července, mohli jste najít ocelová vrátka u vstupu do podzemí otevřená. Nejspíš byste neodolali lákání tajemného neznáma za nimi, tím spíš, že cestu do nitra skal tu místy usnadňuje skromné elektrické osvětlení a lávky přes podzemní říčku. A nakonec by se před vámi objevil obraz jak ze sci-fi: mezi temnými kulisami podzemí se vznáší dron vybavený silným světlem...

S umělou inteligencí do neznáma

"Drony a pozemní roboty by se mohly uplatnit při mapování a prohledávání nepřístupných prostor jako jsou doly, jeskyně, zřícené budovy a podobně," říká Martin Saska vedoucí týmu Multirobotických systémů FEL ČVUT. "V takovém prostředí ale nefunguje satelitní navigace ani bezdrátové dálkové ovládání, proto musí být schopné se v těchto podmínkách orientovat a pohybovat samostatně. Právě vývojem takových autonomních zařízení se zabýváme."

Složitý podzemní komplex Býčí skály je pro testování autonomních robotů obzvlášť vhodný, ale zkrátka nepřijdou ani jeskyňáři, kteří sem vědce z ČVUT pozvali. Drony totiž mohou prozkoumat a zmapovat vysoké kolmé komíny, které jsou jinak téměř nepřístupné. Hlavním cílem akce bylo prověření systémů autonomní navigace v obtížných podmínkách jeskyně protékané vodou.

obr: Schopnosti robotických dronů měla prověřit jeskyně Býčí skála protékaná podzemní říčkou.

Foto: Jan A. Novák

"Největší výzvu pro nasazení plně autonomních létajících robotů představuje přechod z horizontálního letu chodbou jeskynního systému do vertikální šachty, jejíž ústí musí být v reálném čase detekováno a mapováno palubními senzory, protože nasazovaný autonomní systém nebude znát předem mapu jeskyní," vysvětluje Martin Saska, proč bylo k testům vybráno přírodní podzemí Býčí skály. "Kromě navigace dronů v neznámém prostředí jeskyně a nutnosti autonomně prolétávat velmi úzkými prostupy, pro nás velkou neznámou představuje autonomní let nad tekoucí řekou v podzemí, a tedy bez GPS a dostatečného osvětlení. Tekoucí voda a odlesky palubních reflektorů mohou být matoucí pro naše systémy přesné stabilizace a řízení dronů."

Ani systém běžného dronu dnes dostupného i v leckterém hračkářství není tak jednoduchý, jak se laikovi může na první pohled zdát. Kromě nepřehlédnutelných motorů a vrtulí tu je i méně viditelný "mozek", bez kterého by se stroj neudržel ve vzduchu ani pár vteřin. Mimo jiné obsahuje sadu gyroskopů sledujících orientaci, akcelerometrů měřících zrychlení, barometrických výškoměrů a dalších senzorů, jejichž údaje řídící čip průběžně vyhodnocuje a vydává motorům pokyny tak, aby v reálném čase korigovaly všechny odchylky. Sofistikovanější drony mají také čidla překážek a blízkosti země, dokonce dokáží letět podle předem naprogramované trasy nebo se vrátit na místo startu, takže dokáží za určitých okolností provést i některé jednoduché manévry samostatně. To je ovšem možné jen díky tomu, že znají svou polohu prostřednictvím signálu satelitní navigace GPS. Ten ale v podzemí, v budovách a někdy i ve složitějším terénu na povrchu (třeba mezi vysokou zástavbou nebo v lese) není k dispozici. Zajímalo mě tedy, jak to, že se pozemní roboty a létající drony z FEL ČVUT obejdou nejen bez signálu GPS, ale i bez dálkového ovládání.

obr: Příprava robotického dronu ke startu. Foto:

Jan A. Novák

"Tady to nahoře, je lidar," ukazuje Martin Saska na černý válec upevněný nad palubou pásového robota. "Jde o zařízení, které za pomocí laserového paprsku měří vzdálenosti předmětů v okolí stroje, má tedy stejnou funkci jako radar nebo sonar, místo radiových vln nebo ultrazvuku ale využívá světlo. S jeho pomocí a s pomocí údajů z kamer a dalších senzorů si dron vytváří jakousi mapu okolí, podle které se orientuje."

Nároky na výpočetní výkon řídícího systému takového robota jsou nesrovnatelně větší než u obyčejného dronu, a jeskynní prostředí je asi ten nejobtížnější terén, jaký si pro jeho prověření lze představit. Na rozdíl od světa lidí tady jsou tvary povrchu a jeho fyzikální vlastnosti téměř libovolné, k tomu ještě přistupuje tma, vlhkost a další záludnosti. Úspěch tu může zajistit jen schopnost strojového učení, což vyžaduje uplatnění prvků umělé inteligence. Autonomní navigace tak představuje jedno z nejtěžších programátorských zadání - ale možnosti uplatnění jsou velké.

"Kromě aplikace pro průzkum jeskyních komplexů a dolů námi vyvíjený a testovaný systém může nalézt uplatnění v letecké inspekci kanalizací, ventilačních šachet, tunelů, přehrad a průmyslových komplexů, prostě všude tam, kde je obtížné se dostat a kde nedostatečné osvětlení, absence GPS a nutnost létat blízko překážkám znemožňuje nasazení komerčně dostupných dronů, " říká Martin Saska.

obr: Tým Martina Sasky (vpravo) v jeskyní Býčí skála.

Foto: Jan A. Novák

Předpokládá se také uplatnění při důlních neštěstích, při živelných katastrofách v troskách zřícených budov a podobně. Časem se s autonomními roboty ale možná budeme setkávat i v běžném životě, aniž bychom měli potřebu mapovat jeskyně nebo kontrolovat kanalizaci. Mohou se uplatnit například v systémech zásobování a dodávek zboží v obchodních domech, u obslužných robotů pracujících v budovách (například v pečovatelských službách) a podobně.

Testování robotů v Býčí skále ale mělo ještě jeden cíl: prověření strojů před účastí v jedné z nejprestižnějších soutěží robotů, kterou pořádá americká Agentura pro pokročilejší obranný výzkum (DARPA).

V poušti i pod jadernou elektrárnou

Autonomní navigací se zabývají nejprestižnější světová pracoviště, protože bez vyřešení tohoto problému zůstanou skuteční roboti jen na stránkách sci-fi a i o autech bez řidiče si můžeme nechat jen zdát. S myšlenkou podpořit vývoj takových zařízení vznikly mezinárodní soutěže dotované částkami, které jsou srovnatelné s profesionálním sportem. A český tým z FEL ČVUT v nich opakovaně poráží i mnohem lépe situovanou konkurenci.

Jednou z těchto soutěží je Mohamed Bin Zayed International Robotic Challenge (MBZIRC) v Abu Dhábi pořádaná se štědrou podporou tamního šejka. Cílem akce je posunout vývoj robotiky tak, aby se autonomní stroje uplatnily v komerční sféře, při záchranných operacích i při plnění vědeckých a ekologických úkolů. V současné fázi jejich vývoje to znamená především zlepšovat systémy počítačového vidění, orientace ve složitém terénu a schopnosti spolupráce s jinými roboty i s lidmi.

obr: Atonomní drony z FEL ČVUT na soutěži MBSIRZ v Abu Dhabi.

Foto: FEL ČVUT

Roku 2017 tu drony spolupracující ve skupině soutěžily při sběru předmětů různých barev a tvarů a přenášení je na stanovená místa - a v této obzvlášť náročné disciplíně, kdy stroj musí manévrovat zcela samostatně bez jakéhokoliv zásahu operátora, dosáhl český tým na první místo. Další disciplínou bylo automatické přistání na plošině tažené za jedoucím autem. Odtud si tým z ČVUT odnesl stříbrnou medaili, ale od zlaté je dělil jediný bod. Celkem tehdy čeští specialisté získali tři medaile v mimořádně ostré mezinárodní konkurenci: do soutěže se tehdy přihlásilo 143 týmů ze 47 zemí, z nichž organizátoři vybrali 26. Mezi nimi byly například skupiny z Carnegie Mellon University, University of Zurich, University of Bonn, Imperial College London a další.

Tým z FEL ČVUT obhájil své impozantní úspěchy i na následujícím ročníku MBZIRC letos v únoru. Úkoly byly tentokrát ještě náročnější: v první disciplině skupina autonomních dronů ničila nafouknuté balónky a zároveň odebírala malý balónek pořadatelskému dronu, který letěl rychlostí 8m/s. V druhé disciplíně tým létajících dronů stavěl zeď ve spolupráci s pozemními roboty. V další skupině úloh skupina autonomních dronů lokalizovala požár na fasádě budovy a hasila jej s pomocí neseného hasicího zařízení - opět ve spolupráci s pozemními stroji. Tentokrát si odtud čeští vědci odvezli dvě zlaté a jednu stříbrnou medali.

obr: Vítězství v Abu Dhabi patřilo týmu z FEL ČVUT.

Foto: FEL ČVUT

Soutěžemi autonomních robotů se nezabývají jen arabští šejkové, ale i americká DARPA, organizace, která má podíl na vzniku mnoha přelomových technologií, včetně internetu. Její první akcí tohoto zaměření byla Grand Challenge 2004, kdy robotická vozidla závodila v poušti Mojave na trase dlouhé 240 kilometrů. Žádné to nezvládlo - ale od té doby vývoj značně pokročil. Roku 2017 DARPA do portfolia svých soutěží robotů přidala Subterranean Challenge, při níž soutěžící své stroje vypouštějí do podzemí se všemi nástrahami, které tam na ně číhají. Soutěž s impozantním rozpočtem v přepočtu 250 milionů korun si klade za cíl vyvinout systém autonomních spolupracujících robotů, kteří bez lidské asistence dokáží prozkoumat důl v případě důlního neštěstí a najít v něm známky přítomnosti zavalených horníků.

Odborníci z FEL ČVUT se v dubnu loňského roku zúčastnili přípravného kempu DARPA Subterranean Challenge, který se konal v horách nedaleko Denveru. Jejich roboty dokázaly v prostředí skutečného dolu nalézt několik předmětů potvrzujících existenci přeživších horníků. V rámci simulované soutěže dosáhli nejlepšího výsledku ve své skupině.

"Naše stroje dokázaly v tunelech dolu plně autonomně urazit v součtu nejdelší vzdálenost ze všech zúčastněných týmů, což dává dobrý předpoklad pro finálové kolo," komentoval výsledky týmu Martin Saska. "Nejproblematičtější bylo létat ve vysoké nadmořské výšce Skalistých hor v Coloradu a v extrémně prašném prostředí dolu."

obr: Létání v podzemí Skalistých hor.

Foto: FEL ČVUT

Další kolo soutěže se odehrávalo v podzemí nedostavěné jaderné elektrárny ve státě Washington. Autonomní roboty tu měly za úkol zmapovat neznámé prostory, objevit ukryté předměty a zanést jejich polohu do mapy. Odtud si tým z ČVUT odnesl zlatou medaili v kategorii týmů, které DARPA přímo nefinancuje. Celkově obsadili třetí místo.

"V tomto kole bylo nutné vypořádat se s rozlehlým prostředím rozkládajícím se na několika patrech," okomentoval akci vedoucí laboratoře výpočetní robotiky na FEL ČVUT. "Podařilo se nám nasadit všechny naše roboty, kolové, pásové i kráčející, které doplnila dvojice létajících dronů. Roboty současně prozkoumávaly různé části podzemí a zároveň vytvářely nezbytnou komunikační infrastrukturu pro odesílání informací o nalezených objektech."

Velké finále všech kol Darpa Subterranean Challenge se uskuteční nyní v srpnu. Právě na něj se připravovaly stroje v Býčí skále.

Nejde ale jen o prestižní medaile. Skupina autonomních dronů z FEL ČVUT například dokumentovala stav církevních památek v kostele svatého Mořice v Olomouci, protože se nacházejí na místě, kam je obtížné se jinak dostat. Odborníci ze skupiny Multirobotických systémů FEL ČVUT také spolupracují se soukromými společnosti na vývoji praktických aplikací, jako je vyhledávání zdrojů radiace, nebo "odchyt" narušitelských dronů.

Jan A Novák