Робособаки в подземелье: невероятные беспилотные машины в финале соревнований DARPA
Ворота распахнуты, широкий черный лаз, мрачный и негостеприимный, ведет под землю. Заброшенные шахты на окраине Луисвилля — самое большое рукотворное сооружение во всем штате Кентукки — уходят на глубину до 30 м, образуя лабиринт общей площадью около 370 тыс. кв. м. С конца 1980-х, когда здесь прекратилась добыча известняка, в тоннелях Mega Cavern располагаются коммерческие склады и даже офисы, — хотя большая часть их отдана туристам, любителям скалолазания и спелеологии. Но в сентябре 2021 года проход временно закрыли и для них: в тревожную темноту подземелья пускали только роботов.
Для автономных машин такая обстановка едва ли не самая сложная. Под землей невозможно ориентироваться по сигналам спутниковой навигации, радиосвязь действует лишь на очень ограниченной дистанции. В полутемных и влажных тоннелях полно препятствий и угроз. Обломки камней и мусор, неожиданные провалы, лестницы, узкие лазы — при этом ни карты, ни контакта с поверхностью у роботов нет.
Машинам дается ограниченное время на то, чтобы разобраться в лабиринте и найти спрятанные артефакты, передав на базу информацию об их местонахождении. Артефакты имитируют основные цели, которые чаще всего приходится отыскивать в подземельях: заваленных людей, отдельных выживших и их вещи, источники утечки газа. Соревнования DARPA Subterranean Challenge (SubT) ориентированы на создание полностью автономных систем, которые возьмут на себя эти задачи, заменив спасателей и военных при работе в таких опасных условиях.
Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) запустило международный конкурс еще несколько лет назад, и к осени 2021-го десять лучших команд добрались до финального спуска в темноту.
Тоннели
Поверхность Земли тут и там пронизана системами пещер разной глубины, некоторые из них тянутся на многие сотни метров. Ниже городских дорог и зданий проложены многокилометровые лабиринты искусственных тоннелей, практически у каждого дома есть подвал. Эти подземелья не всегда картографированы, и в случае чрезвычайной ситуации приходится действовать вслепую. Составление подобных карт — дело опасное и трудоемкое, но передать его роботам пока не удается. Чтобы хоть частично автоматизировать процесс, поначалу использовали груженные камерами и лазерными дальномерами (лидарами) тележки, которые толкали перед собой люди.
Впоследствии появились дистанционно управляемые машины, с помощью которых инженеры смогли картографировать некоторые заброшенные шахты, а спасатели разыскивали пострадавших под завалами. Однако операторы с трудом ориентируются по картинке с камер, работая медленно и не всегда точно. Для настоящей скорости и эффективности роботы должны действовать самостоятельно, причем группами. Ни один из них не сможет справиться со всеми вызовами подземелья: там, где колесная платформа упрется в лестницу, беспилотник легко поднимется и осмотрит соседние этажи.
Чтобы стимулировать развитие подобных технологий, агентство DARPA и организовало конкурс SubT. Условия соревнований максимально имитируют реальные — с искусственно воссозданными туманами, текущей со стен водой и грязью на полу, наклонами и ограниченным пространством. Машины должны самостоятельно преодолеть и картографировать лабиринты протяженностью около 8 км каждый, определив расположение в нем пары десятков артефактов. Команды разбили лагерь непосредственно у входа, но внутрь роботы отправились одни.
Подвалы
Организаторы конкурса выделили три ключевых вида обстановки, с которой машинам придется столкнуться при выполнении подобных миссий: тоннели, подвалы и пещеры, которые различаются особенностями поверхности и набором препятствий. Тоннели, подобно шахтам в Кентукки, образованы сетью сравнительно прямых темных коридоров, наклонных и пологих, усеянных обломками камней и часто пересеченных старыми рельсами. В подвалах рельсов нет, зато встречаются лестницы, которые связывают друг с другом несколько уровней, заваленных всевозможным мусором. Наконец, пещеры сочетают узкие и скользкие проходы и обширные пустые залы. За три года, в течение которых шел конкурс SubT, команды-участницы должны были справиться со всеми тремя вариантами.
На каждом этапе внутри лабиринта размещались соответствующие артефакты для поиска. Манекены, изображавшие людей, их мобильные телефоны и вещи, использовались во всех, но в тоннеле требовалось еще отыскать огнетушитель и сумку с инструментами, а в подвале — источник утечки газа. Соревнования проходили в двух номинациях: между алгоритмами в виртуальных копиях тоннелей, подвалов и пещер и между реальными роботизированными системами, соперничающими в настоящих подземельях. Лишь пещерный этап ограничился виртуальным пространством: в 2020 году организаторы не сумели собрать команды из-за противовирусных ограничений.
Менеджер DARPA Саймон Уотсон сравнивает конкурс SubT со спортивным триатлоном, в котором важно быть не лучшим бегуном, велосипедистом или пловцом, а равномерно развивать все эти навыки. Тем более что финальное испытание, прошедшее осенью в Кентукки, скомбинировало все три этапа в одном: в части тоннелей, оставшихся от старых разработок, были устроены имитаторы и городских подвалов, и природных пещер. Одна за другой команды роботов отправлялись, чтобы картографировать это опасное пространство и локализовать артефакты с точностью до 5 м.
Пещеры
Разные команды применяли разные комбинации машин. Одни сделали ставку на четвероногих роботов, используя в том числе и знаменитых «собак» Spot от Boston Dynamics. Другие взяли за основу колесные или гусеничные платформы или даже шестиногие шагающие устройства, похожие на крупных пауков. Чтобы обследовать труднодоступные участки и соседние уровни, базовые машины часто дополнялись одним или несколькими беспилотниками, а одна команда и вовсе полностью положилась на рой миниатюрных дронов.
Для обеспечения полной автономности каждый робот имел собственный источник питания, лидары и камеры с подсветкой для работы в темноте, газовые датчики (для обнаружения протечек — одного из конкурсных артефактов), собственные системы связи. Модули Wi-Fi использовались для настройки и подготовки машин, а коммуникации под землей были организованы с помощью распределенной системы Mobilicom, способной действовать на дистанции до 100 м. Кроме того, по мере продвижения роботы оставляли вдоль маршрута ретрансляторы — небольшие маячки, которые поддерживали связь между машинами, работающими в разных участках лабиринта.
Смотреть на работу некоторых роботов — прямая трансляция соревнований велась на официальном YouTube-канале DARPA SubT — без слез было трудно. Робособаки то и дело утыкались в стену и, потеряв ориентир, упорно бились о препятствие головой. Другие заваливались в узких проходах или ломали оборудование, цепляясь за преграды. Однако победители, использовавшие искусственный интеллект, помогающий ориентироваться внутри и идентифицировать препятствия и конкурсные артефакты, выглядели на удивление хорошо.
Менее чем за час эти машины провели картографирование шахт системы Mega Cavern и нашли все спрятанные цели. Людям на выполнение той же задачи, по расчетам организаторов соревнований, потребовалось бы несколько дней непрерывного и опасного труда. Еще недавно тоннели, подвалы и пещеры казались совершенно непреодолимыми для роботов, но постепенно им становятся доступны даже такие места.
