Робособаки в подземелье: невероятные беспилотные машины в финале соревнований DARPA

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.

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.

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.

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.