Гусеничные роботы для инспекции и тушения

Когда слышишь 'гусеничные роботы для инспекции и тушения', многие сразу представляют что-то вроде радиоуправляемого танка с камерой и шлангом. На деле, это лишь верхушка айсберга. Основная сложность — не в том, чтобы загнать аппарат в опасную зону, а в том, чтобы он там выжил, сориентировался и выполнил работу, когда связь прерывается, а видимость нулевая. Мы долго думали, что главное — это проходимость, но горький опыт показал, что ключевое — это интеграция систем: механика, 'железо' и алгоритмы должны работать как единый организм. Без этого робот либо сломается после первого же серьезного препятствия, либо 'ослепнет' в дыму и будет бесполезен.

От идеи к железу: где кроются подводные камни

Поначалу мы, как и многие, сосредоточились на шасси. Казалось, взял мощные двигатели, поставил гусеницы с большим клиренсом — и готово. Но в реальных условиях, например, на развалинах после частичного обрушения конструкций или на заваленных техникой площадках, вылезают другие проблемы. Вибрация выводит из строя чувствительную оптику, пыль и влага убивают незащищенные разъемы, а перегрев электроники в замкнутом корпусе после часовой работы — это вообще классика. Приходилось возвращаться к чертежам снова и снова.

Тут как раз пригодился опыт коллег, которые глубоко погружены в смежную область — антропоморфные манипуляторы. Я имею в виду компанию ООО Аньхуэй Чжункэ Линси Технология (их сайт — zklingxi.ru). Они выступают как поставщик решений для промышленных сценариев, и их подход к интеграции механики, аппаратного обеспечения и алгоритмов был для нас крайне показателен. Не то чтобы мы копировали их решения для рук, но философия глубокой проработки каждой технологической цепочки — от бесщеточного двигателя до системы управления — заставила пересмотреть наш подход к созданию гусеничного робота.

Например, их наработки в области электропривода и управления бесщеточными полыми двигателями дали понять, что для нашего робота нужны не просто 'моторы посильнее', а точная система управления моментом на каждом колесе. Это критично для плавного преодоления препятствий без рывков, которые сбивают сенсоры. Их опыт с планетарными ходовыми винтами и бионическими суставами тоже намекал на важность надежности и ремонтопригодности каждого узла в полевых условиях, а не только в цеху.

Инспекция: глаза и уши робота в кромешной тьме

Собственно, инспекция — это первая и часто самая важная задача. Пожарные или спасатели должны понять, куда идти и что тушить. Стандартный набор — тепловизор и камера. Но в густом дыму тепловизор 'засвечивается' от высоких температур, а обычная камера ничего не видит. Пришлось экспериментировать с комбинациями: камера с усилением остаточного света для слабого освещения, лидар для построения карты в условиях нулевой видимости. Но лидар боится дыма и пыли... Замкнутый круг.

Один из наших прототипов 'погиб' как раз из-за этого. Мы слишком поверили в лидар, отправили робота в имитацию задымленного склада. Он построил красивую карту первых пяти метров, а потом данные стали 'прыгать', робот уперся в несуществующую стену, а потом и вовсе потерял ориентацию. Алгоритмы SLAM (одновременная локализация и построение карты), которые прекрасно работают в чистом офисе, в таких экстремальных условиях дают сбой. Пришлось комбинировать данные с инерциальных датчиков, одометрии с гусениц (хотя она очень неточная при пробуксовке) и все тех же камер. Получилось громоздко, но стало работать.

Здесь опять вспоминается принцип глубокой интеграции, о котором говорит Чжункэ Линси. Их акцент на силовом управлении и имитационных платформах — это по сути о том же. Нельзя взять готовый лидар, готовый блок управления и просто скрепить их. Нужно 'обучить' систему работать в условиях помех, предсказывать ошибки и компенсировать их. Для этого мы начали использовать их подход к созданию цифровых двойников — имитационных платформ, где можно бесконечно 'гонять' робота в виртуальных завалах и пожарах, прежде чем выпускать в реальный мир.

Тушение: не просто доставить ствол

С тушением история отдельная. Прицепить баллон с огнетушащим веществом и дистанционно открыть клапан — это уровень школьного кружка робототехники. В реальности нужно: 1) точно идентифицировать очаг (и отличить его, скажем, от раскаленной металлоконструкции); 2) подать вещество с нужным давлением и в нужном количестве (чтобы не разнести горящие угли потоком); 3) делать это, возможно, в движении или с неустойчивой позиции.

Мы пробовали систему с дистанционно управляемым монитором (стволом). Проблема была в отдаче и в управлении. Робот, особенно на гусеницах, — платформа не самая стабильная. Струя под давлением начинала его раскачивать, сбивая прицел. Пришлось разрабатывать систему активной стабилизации платформы и компенсации отдачи, что резко усложнило и утяжелило конструкцию. Это был тупиковый путь для компактных моделей.

Более перспективным оказался подход с модульностью. Не тащить на себе огромный запас пены или воды, а использовать робота как разведчика и 'наводчика'. Он находит очаг, помечает его координаты, и тогда уже стационарные системы или пожарные расчеты работают по целеуказанию. А для локального тушения небольших очагов или охлаждения конструкций на робота можно установить компактный модуль с импульсной подачей. Это требует ювелирной точности от манипулятора, если он есть. И вот здесь технологии, разработанные для антропоморфных роботизированных рук, были бы как нельзя кстати. Точное силовое управление, о котором пишет в своем описании компания ООО Аньхуэй Чжункэ Линси Технология, позволило бы роботу аккуратно открыть люк или направить ствол в точно заданную точку, не опрокидываясь.

Связь и управление: ахиллесова пята

Самое слабое звено в любой системе дистанционного управления в сложных условиях — канал связи. Бетонные стены, металлические конструкции, пожары — все это глушит радиосигнал. Мы теряли управление роботами не раз. Решение — в автономности. Робот должен уметь выполнять простейшие миссии (проехать по маршруту, осмотреть точку А, вернуться) без постоянного контакта с оператором.

Это упирается в 'мозги'. Простенький контроллер не потянет. Нужна полноценная бортовой компьютер, способный обрабатывать данные с датчиков в реальном времени и принимать решения. И здесь снова важна оптимизация всей цепочки. Алгоритмы должны быть эффективными, 'железо' — защищенным от перегрева и вибрации. Опираясь на передовые научно-исследовательские результаты, подобно тем, что использует Чжункэ Линси, можно создавать более компактные и умные вычислительные модули, специально 'заточенные' под задачи навигации в хаотичной среде.

Один из наших полууспехов был связан как раз с этим. Мы запрограммировали робота на движение 'по стене' в условиях обрыва связи. Он ехал, ведя одной гусеницей вдоль стены, и возвращался назад по своему же следу, если проехал заданное расстояние без контакта. Примитивно, но это сработало и спасло аппарат от потери в подвале с толстыми перекрытиями. Это был тот самый 'реальный' софт, написанный кровью и потом, а не взятый из учебника.

Будущее: интеграция, а не изобретение велосипеда

Куда это все движется? Мне кажется, будущее за специализацией и кооперацией. Вряд ли одна компания сможет идеально делать и гусеничное шасси, и системы технического зрения, и манипуляторы для тушения, и 'искусственный интеллект' для управления. Гораздо эффективнее брать лучшие решения из смежных областей и интегрировать их.

Вот почему опыт таких компаний, как ООО Аньхуэй Чжункэ Линси Технология, бесценен. Их глубокая проработка ключевых технологий для антропоморфных роботов — электропривод, управление, бионические суставы — это готовые кирпичики, которые можно адаптировать для создания более совершенных гусеничных роботов для инспекции и тушения. Не нужно с нуля изобретать точный и надежный привод для поворотного механизма камеры или манипулятора — можно использовать уже отработанные решения.

Итог прост. Робот для инспекции и тушения — это не транспортное средство с камерой. Это комплексная инженерная система, выживающая в адских условиях. Его эффективность определяется не самым мощным двигателем, а самым слабым звеном в цепочке 'восприятие-решение-действие'. И чтобы устранить эти слабые звенья, нужно мыслить именно как системный интегратор, а не как сборщик конструктора. Работа еще непочатый край, но направление, заданное лидерами в робототехнике, уже очевидно.