Siekis sukurti robotus, galinčius patikimai naršyti sudėtingoje aplinkoje, jau seniai trukdo esminis apribojimas: dauguma robotų regėjimo sistemų iš esmės apaksta esant sudėtingoms oro sąlygoms. Nuo autonominių transporto priemonių, kovojančių tankiame rūke, iki gelbėjimo robotų, kuriems trukdo dūmai užpildyti pastatai, šie apribojimai yra kritinis robotikos programų pažeidžiamumas, kai gedimas nėra išeitis.
Pensilvanijos universiteto Inžinerijos ir taikomųjų mokslų mokyklos proveržis žada pakeisti tai, kaip robotai suvokia savo aplinką. Jų naujoviška sistema, pavadinta PanoRadar, naudoja radijo bangų technologiją kartu su dirbtiniu intelektu, kad sukurtų detalius trimačius aplinkos vaizdus, net ir tokiomis sąlygomis, dėl kurių tradiciniai jutikliai taptų nenaudingi.
Aplinkos barjerų įveikimas
Šiuolaikinės robotinės regos sistemos pirmiausia remiasi šviesos jutikliais – kameromis ir šviesos aptikimo ir nuotolio (LiDAR) technologija. Nors šie įrankiai puikiai tinka optimaliomis sąlygomis, jie susiduria su dideliais apribojimais nepalankioje aplinkoje. Dūmai, rūkas ir kitos kietosios dalelės gali išsklaidyti šviesos bangas ir efektyviai apakinti šiuos tradicinius jutiklius, kai jų labiausiai reikia.
PanoRadar pašalina šiuos apribojimus naudodamas radijo bangas, kurių ilgesni bangos gali prasiskverbti pro aplinkos kliūtis, kurios blokuoja šviesą. „Mūsų pradinis klausimas buvo, ar galime derinti geriausius iš abiejų jutimo būdų“, – aiškina kompiuterių ir informacijos mokslų docentas Mingminas Zhao. „Radijo signalų tvirtumas, atsparus rūkui ir kitoms sudėtingoms sąlygoms, ir didelė vaizdo jutiklių skiriamoji geba.”
Naujoviškas sistemos dizainas suteikia dar vieną reikšmingą pranašumą – ekonomiškumą. Tradicinės didelės raiškos LiDAR sistemos dažnai būna su pernelyg didelėmis kainomis, ribojančiomis platų jų naudojimą. Sumaniai naudojant besisukančių antenų matricas ir pažangų signalų apdorojimą PanoRadar pasiekia panašią vaizdo skiriamąją gebą už nedidelę kainą.
Šis išlaidų pranašumas kartu su galimybėmis bet kokiomis oro sąlygomis leidžia „PanoRadar“ tapti potencialiu žaidimo keitikliu robotų suvokimo srityje. Ši technologija įrodė savo gebėjimą tiksliai sekti dūmus ir netgi gali atvaizduoti erdves su stiklinėmis sienomis – tai neįmanoma tradiciniams šviesos jutikliams.
„PanoRadar“ technologija
„PanoRadar“ pagrindas yra apgaulingai paprastas, bet išradingas aplinkos nuskaitymo metodas. Sistema naudoja vertikalią besisukančių antenų masyvą, kuri nuolat skleidžia ir priima radijo bangas ir sukuria visapusišką supančios aplinkos vaizdą. Šis besisukantis mechanizmas sukuria tankų virtualių matavimo taškų tinklą, leidžiantį sistemai sukurti labai detalius trimačius vaizdus.
Tačiau tikroji naujovė slypi sudėtingame šių radijo signalų apdorojime. „Pagrindinė naujovė yra tai, kaip apdorojame šiuos radijo bangų matavimus“, – pažymi Zhao. „Mūsų signalų apdorojimo ir mašininio mokymosi algoritmai gali išgauti turtingą 3D informaciją iš aplinkos.”
Pasiekus tokį tikslumo lygį, iškilo didelių techninių kliūčių. Pagrindinis autorius Haowenas Lai paaiškina: „Norėdami pasiekti LiDAR palyginamą skiriamąją gebą su radijo signalais, turėjome sujungti matavimus iš daugelio skirtingų pozicijų su submilimetro tikslumu. Šis iššūkis tampa ypač aštrus, kai sistema juda, nes net ir minimalus judėjimas gali turėti įtakos vaizdo kokybei.
Komanda sukūrė pažangius mašininio mokymosi algoritmus, kad interpretuotų surinktus duomenis. Pasak mokslininko Gaoxiang Luo, jie panaudojo nuoseklius modelius ir geometrijas, esančias patalpų aplinkoje, kad padėtų jų AI sistemai suprasti radaro signalus. Kūrimo metu sistema naudojo LiDAR duomenis kaip atskaitos tašką savo interpretacijoms patvirtinti ir tobulinti.
Realaus pasaulio programos ir poveikis
PanoRadar galimybės atveria naujas galimybes keliuose sektoriuose, kur tradicinės regėjimo sistemos susiduria su apribojimais. Reagavimo į ekstremalias situacijas scenarijus ši technologija leistų gelbėjimo robotams efektyviai naršyti dūmų pripildytuose pastatuose, išlaikant tikslias sekimo ir žemėlapių sudarymo galimybes ten, kur įprasti jutikliai sugestų.
Sistemos gebėjimas tiksliai aptikti žmones per vizualines kliūtis daro ją ypač vertinga atliekant paieškos ir gelbėjimo operacijas pavojingoje aplinkoje. „Mūsų lauko bandymai skirtinguose pastatuose parodė, kaip radijo jutikliai gali tobulėti ten, kur tradiciniai jutikliai susiduria su sunkumais“, – sako tyrimo asistentė Yifei Liu. Technologijos gebėjimas nustatyti erdves su stiklinėmis sienomis ir išlaikyti funkcionalumą dūmų pripildytoje aplinkoje rodo jos potencialą pagerinti saugos operacijas.
Autonominių transporto priemonių sektoriuje PanoRadar galimybės bet kokiomis oro sąlygomis galėtų išspręsti vieną iš nuolatinių pramonės iššūkių: išlaikyti patikimą veikimą nepalankiomis oro sąlygomis. Sistemos didelės raiškos vaizdo gavimo galimybės kartu su galimybe veikti rūko, lietaus ir kitomis sudėtingomis sąlygomis gali žymiai pagerinti savarankiškai važiuojančių transporto priemonių saugumą ir patikimumą.
Be to, dėl šios technologijos ekonomiškumo, palyginti su tradicinėmis aukščiausios klasės jutiklių sistemomis, ji yra perspektyvi galimybė platesniam naudojimui įvairiose robotų programose, nuo pramoninės automatikos iki apsaugos sistemų.
Ateities padariniai sričiai
PanoRadar kūrimas yra daugiau nei tik nauja jutimo technologija – ji rodo galimą pokytį, kaip robotai suvokia savo aplinką ir sąveikauja su ja. „Penn Engineering“ komanda jau tiria būdus, kaip integruoti „PanoRadar“ su esamomis jutiklių technologijomis, tokiomis kaip fotoaparatai ir LiDAR, siekdama sukurti tvirtesnes, daugiarūšes suvokimo sistemas.
„Atliekant daug svarbių užduočių, labai svarbu turėti kelis būdus pajusti aplinką“, – pabrėžia Zhao. „Kiekvienas jutiklis turi savo stipriąsias ir silpnąsias puses, o jas sumaniai derindami galime sukurti robotus, kurie yra geriau pasirengę susidoroti su realaus pasaulio iššūkiais.
Šis kelių jutiklių metodas gali pasirodyti ypač vertingas kritinėse programose, kuriose svarbiausia yra perteklinis perteklius ir patikimumas. Komanda plečia savo bandymus įtraukdama įvairias robotų platformas ir autonomines transporto priemones, o tai rodo ateitį, kurioje robotai gali sklandžiai perjungti skirtingus jutimo režimus, priklausomai nuo aplinkos sąlygų.
Šios technologijos potencialas viršija dabartines galimybes. AI ir signalų apdorojimo technikoms toliau tobulėjant, būsimos PanoRadar iteracijos gali pasiūlyti dar didesnę skiriamąją gebą ir sudėtingesnes aplinkos žemėlapių sudarymo galimybes. Ši nuolatinė evoliucija galėtų padėti įveikti atotrūkį tarp žmogaus ir mašinos suvokimo, leisdama robotams veiksmingiau veikti vis sudėtingesnėje aplinkoje.
Esmė
Kadangi robotika ir toliau integruojasi į svarbius visuomenės aspektus – nuo reagavimo į nelaimes iki transporto, patikimų bet kokiomis oro sąlygomis suvokimo sistemų poreikis tampa vis svarbesnis. „PanoRadar“ naujoviškas požiūris į radijo bangų technologijos derinimą su AI ne tik pašalina dabartinius robotų regėjimo apribojimus, bet ir atveria naujas galimybes mašinoms sąveikauti su aplinka ir ją suprasti. Dėl plataus taikymo galimybių ir nuolatinio tobulinimo šis proveržis gali būti reikšmingas lūžis robotų suvokimo sistemų evoliucijoje.
