Зоны стихийных бедствий — худшее место для движения по заранее проложенному маршруту: карты бывают неполными, обломки смещаются, а новая опасность может возникнуть с любой стороны и в любой момент. Новая навигационная система MIT строит безопасный «коридор» полёта вокруг возможных будущих перемещений препятствий, помогая дрону избегать столкновений даже без заранее известной карты.
Планировщик дронов MIT строит подвижный безопасный коридор в незнакомой местности. Фото: Melanie Gonick, MIT
Система получила название SANDO. Она прокладывает маршрут в незнакомом окружении с математической гарантией отсутствия столкновений — при условии, что исходные допущения соблюдаются. Ей не нужно знать, куда именно движутся препятствия: достаточно надёжной верхней оценки их максимальной скорости. «Единственное, что нужно знать планировщику, — это предельная скорость, которую могут развить препятствия», — поясняет Кота Кондо, недавно защитивший докторскую диссертацию по аэронавтике и астронавтике в MIT.
Интерес Кондо к робототехнике для ликвидации последствий катастроф восходит к аварии на АЭС «Фукусима» в Японии. «Я помню, как смотрел на работы на станции и думал: почему людям приходится подходить так близко? Неужели нет другого способа?» — говорит он, ведущий автор исследования, опубликованного в журнале IEEE Transactions on Robotics. «Это крепко засело у меня в голове».
Как работает SANDO
Планировщики маршрутов используют камеры и датчики дрона, чтобы проложить путь к цели. По данным MIT, многие существующие системы дают формальные гарантии безопасности лишь тогда, когда препятствия неподвижны или известны заранее. Другие уклоняются от движущихся объектов, но без математической гарантии, что столкновения не произойдёт.
Подход SANDO — планировать с учётом всех возможностей, а не ставить на единственный прогноз. Система обнаруживает, группирует и отслеживает движущиеся препятствия, а затем окружает каждое виртуальной сферой, которая показывает, как далеко объект способен сместиться в любом направлении за заданное время. Чем дальше в будущее заглядывает планировщик, тем больше становится эта сфера.
Представьте рассеянного пешехода. Вместо того чтобы считать, будто он продолжит идти прямо, система оставляет запас для любого положения, которого он успеет достичь в пределах своей скорости.
Вокруг этих расширяющихся буферов SANDO выстраивает безопасный коридор — цепочку связанных между собой свободных от препятствий областей трёхмерного пространства. Поскольку коридор меняется во времени, он учитывает и те опасности, которые могут выйти на траекторию дрона уже после того, как маршрут был рассчитан. «Именно потому, что мы закладываем временну́ю составляющую, мы можем гарантировать безопасность и на будущее», — отмечает Кондо.
SANDO увернулась от всех движущихся препятствий в 12 реальных полётах дрона. Фото: Melanie Gonick, MIT
Отдельный планировщик на основе тепловой карты отмечает участки, перегруженные препятствиями, и уводит дрон на менее загруженные маршруты. Внутри безопасного коридора SANDO рассчитывает самую быструю траекторию, непрерывно обновляя и коридор, и сам маршрут силами бортового компьютера.
Результаты и ограничения
В симуляциях SANDO достигала цели быстрее нескольких передовых систем-конкурентов и при этом избегала столкновений во всех протестированных сценариях. В реальных испытаниях система также обошла все движущиеся препятствия в 12 полётах настоящего дрона.
Эти результаты подкрепляют подход, но 12 удачных полётов ещё не доказывают готовность к любой реальной катастрофе. Математическая гарантия вдобавок держится на предположении о верхней границе скорости препятствий: объект, движущийся быстрее этого предела, выпадает из описанной исследователями гарантии.
Что дальше
Среди следующих шагов — снижение вычислительной нагрузки и подключение SANDO к системам машинного обучения, понимающим команды на обычном языке. Разработчики также рассчитывают научить несколько дронов действовать сообща: обмениваться наблюдениями и делить между собой зоны поиска.
Цель куда шире, чем сохранить один аппарат целым. Если надёжность подтвердится за пределами лаборатории, SANDO поможет спасателям быстрее обследовать опасные места, не входя в них, а также проведёт дроны сквозь обрушившиеся здания, шахтные туннели и плотно застроенные кварталы.
