«Уверен, что автомобиль без водителя – это транспорт будущего. Если посмотреть сводки новостей, то большая часть крупных аварий происходит по вине водителя: хотел ускориться, проскочить, устал. Так что для большинства коммерческих и грузовых перевозок беспилотная машина безопаснее и удобнее. Это тренд ближайшего будущего, тесно связанный с робототехникой, одно из направлений, в которых стоит развиваться. Тем более ковровские предприятия славятся своими разработками в области наземной техники. Соответственно, у студентов возникает возможность на практике получить передовой опыт разработки робототехнических автоматических наземных систем».
Так заведующий кафедрой робототехники и комплексной автоматизации, кандидат технических наук Андрей Сергеевич Карпенков отвечает на вопрос, почему десять лет назад он стал заниматься беспилотными технологиями для наземного транспорта и собрал вокруг себя команду единомышленников. Это лето стало для них особенно удачным: KSTA Team второй раз подряд стала победительницей Всероссийских полевых испытаний беспилотных робототехнических систем «Робокросс», а также прошла отборочный этап «Сателлит 2» Всероссийского технологического конкурса НТИ Up Great «Пятый уровень».
От «машинки на пульте» до робота
Правоту А. С. Карпенкова доказывает эволюция «Робокросса». Если ещё лет 10 назад команды выходили на конкурс с машинами, управляемыми с пульта, то в этом году почти все представили полностью роботизированные авто.
- В предыдущие несколько лет мы соревновались на «Газели» NEXT , которую нам передала компания «ГАЗ» – цельнометаллической, с дизельным двигателем и механической коробкой передач, - рассказывает Андрей Сергеевич. – С ней мы достигли очень высокого уровня – все механические элементы роботизировали и автоматизировали, и в прошлом году заняли в «Робокроссе» первое место.
В этом году мы тоже победили – но уже на другой машине, электрической «Газели», у которой фактически отсутствует коробка передач. Там мало движущихся частей, более лёгкая механика, поэтому мы занимались в основном электроникой. Переделали систему управления, нижний уровень системы управления и постарались прийти к тому, чтобы управлять автомобилем буквально по двум проводам, по штатной CAN-шине.
Раньше приходилось устанавливать электрические двигатели, тросики, ставить механические передачи, роботизировать механическую коробку передач. Сейчас вышли на следующий уровень – больше интеллектуализации и использования штатных функций автомобиля. То же самое касается тормозов, электроусилителя руля и т. д.
В этом вопросе наша команда тесно сотрудничает с объединённым инжиниринговым центром ГАЗа. После того, как мы подготовили машину, стали повышать качество решений навигационной задачи, обнаружения препятствий и других объектов в окружающем пространстве. Эта работа нам позволила выполнить все задания «Робокросса». Не обошлось без штрафных баллов, но мы оказались единственной командой, которая выполнила абсолютно все задания конкурса. А, например, «змейку» задним ходом ни одной команде, кроме нашей, не удалось выполнить за всю историю .
Пришлось преодолевать и неожиданное препятствие в виде плохого уровня связи. В прошлом году KSTA Team использовала для получения информации и внесения дифференциальных поправок сотовую сеть. В этот раз она работала некачественно, с перерывами. Поэтому капитан команды специально возвращался в Ковров за базовой станцией, чтобы использовать внешнюю сеть, а программу под неё переписывали буквально на ходу.
Беспилотник выезжает на дорогу
Незадолго до «Робокросса» команда Ковровской академии успешно преодолела даже более серьёзное испытание – отборочный этап «Сателлит 2» конкурса «Пятый уровень».
- Разница между ними, чтобы было понятно – примерно как между школьной конференцией и реальной научной разработкой на предприятии , - объясняет А. С. Карпенков. – На «Робокроссе» нужно просто проехать по 100-метровой трассе, объехать препятствия с любой стороны, развернуться и вернуться обратно. Остальные задания – распознавание дорожных знаков, светофоров, парковка, движение задним ходом и т. д. – выполняются и оцениваются по отдельности.
В «Пятом уровне» используются реальные дороги общего пользования, с соответствующей разметкой, с дефектами поверхности. Задание комплексное: трасса, на ней пешеходные переходы, светофоры, реальные автомобили имитируют возможные дорожные ситуации. Например, чужая машина обгоняет твой беспилотник, перестраивается перед ним и подтормаживает. Беспилотное транспортное средство (БТС) должно правильно среагировать: или продолжать движение за автомобилем, или перестроиться, набрать скорость и обогнать его, а затем вернуться в свою полосу. Или, скажем, успеть затормозить перед пешеходом, который неожиданно выбежал на проезжую часть, перед нарушителем, внезапно вырулившем со второстепенной дороги. Корректно остановиться на светофоре, вовремя включить поворотник, объехать препятствие исключительно с левой стороны… В общем, всё почти как при сдаче на права в ГИБДД; вплоть до того, что если БТС, например, колесом заехал на сплошную линию у границы проезжей части, заезд аннулируется.
Неудивительно, что из восьми заявившихся команд пройти этот этап смогли только две – МАДИ ( Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет) и Ковровская академия. Сейчас KSTA Team отправилась на следующий тур «Пятого уровня», когда автомобиль полностью самостоятельно, в автономном режиме должен развезти грузы по трём маршрутам.
Единственная миссия человека в таком заезде – нажать на кнопочку «старт». Всё остальное автомобиль должен выполнить самостоятельно. Любое вмешательство оператора – и задание считается проваленным. Все внештатные ситуации надо заранее заложить в программу управления.
Звучит почти фантастически, но «Пятый уровень» – действительно один из самых серьёзных конкурсов в России, направленный на преодоление технологического барьера. Пока в мире ни у одной страны нет транспортного средства 5-го уровня, которое могло бы выполнять движение на дорогах общего пользования без участия человека в любой ситуации.
Вкалывают роботы, решает человек
Как же удаётся добиться полной автоматизации? Как научить машину «видеть» дорожные условия и правильно на них реагировать? «Суть примерно та же, что у оборудования с ЧПУ, - разъясняет Андрей Сергеевич. – Да, не надо приставлять по человеку к каждому станку, чтобы вытачивать деталь по выданному чертежу. Но есть подготовительная работа – специалист пишет программу для этого чертежа, налаживает станок. С беспилотным авто то же самое. За рулём водителя нет, но есть человек, который создаёт базовый маршрут, по которому машина должна проехать. Если на пути нет препятствий, отлично – БТС спокойно движется. Но как только возникает проблема, которая не позволяет проехать по записанному маршруту, в дело включаются различные алгоритмы её преодоления, исходя из условий и ограничений. То есть надо заранее предугадать любую нештатную ситуацию и прописать программу обхода.
Чтобы обнаруживать препятствия, у нас есть так называемая система технического зрения, которая состоит из трёх источников. Первый – лидар, лазерный локатор. Это прибор, который с помощью лазера измеряет расстояние. Множество лучей одновременно формируют с высокой частотой в трёхмерном пространстве картинку, которая показывает расстояние до объектов и где эти объекты находятся. Но лидар подходит не для всех условий: например, пыль он тоже воспринимает как объект и «видит» как стену. Для этих ситуаций используем видеокамеру. Она, помимо объектов, детектирует дорожные знаки и светофоры. Сейчас в общую систему управления интегрируем радар, который даст нам третий источник информации – радиоволны на частоте 70 гигагерц. Вся эта система позволяет видеть препятствия и объекты в любых погодных условиях. Чувствуете, какое усиление по сравнению с человеком-водителем?».
Слово команде
За каждым «решением» умной беспилотной машины стоит долгая, творческая и вместе с тем кропотливая работа целой команды. Студенческий коллектив непостоянен, на 4-м курсе выпускники сосредотачиваются на написании диплома, и участие в других проектах отходит на второй план. Чтобы сохранить преемственность, А. С. Карпенков каждый год «разбавляет» команду старшекурсников ребятами с 1 и 2 курсов. Более опытные передают знания новичкам.
Сейчас в студенческом составе KSTA Team – Антон Редькин, Юрий Кашицын, Роман Осипов, Максим Литвинченко и Иван Голоушин. Они вместе с А. С. Карпенковым работают над программой для оборудования, в том числе системами технического зрения. Часть разработок системы управления курирует кандидат физико-математических наук, доцент кафедры робототехники и комплексной автоматизации Олег Владимирович Мартынов. В подготовке «Газели» помогает Игорь Юрьевич Моцилёв , заведующий лабораториями кафедры робототехники и комплексной автоматизации. Он учил ребят разбираться в автомобильной электронике и механике. Все вместе они – команда, которая защищает честь Ковровской академии в престижнейшем «Пятом уровне».
Почему студенты решили участвовать в проекте и не жалеют времени и сил на подготовку к конкурсам?
Капитан команды Юрий Кашицын : «К работе подключился больше двух лет назад, ещё на первом курсе. Основной причиной стал интерес. Ведь не каждому за всю жизнь удаётся поучаствовать в подобном проекте, разобраться, как устроена та или иная система.
Главное, что ты получаешь на таких конкурсах, как «Робокросс» или «Пятый уровень» – практический опыт. И работодатели это ценят. До диплома ещё год, а у меня уже очень много предложений от крупных предприятий по участию в проектах и конкурсах, связанных с беспилотным направлением.
А ещё на таких конкурсах ощущаешь гордость за академию и за команду. Нашими соперниками были Московский политех, Санкт-Петербургский электротехнический университет «ЛЭТИ», Московский авиационный институт и другие известные вузы. А мы их побеждаем! По знаниям, практическим умениям мы им совершенно не уступаем. Но у нашей команды есть ещё один плюс – наши руководители, которые нам помогают и «подталкивают», при этом мы всегда чувствуем их поддержку. Поэтому мы и добиваемся результатов даже лучших, чем столичные вузы».
Антон Редькин : «В проекте уже 4 года, сейчас я уже окончил вуз, но продолжаю участвовать в конкурсах. Когда начинал, мне показалась интересной и перспективной сама тема исследований – беспилотные технологии на наземных системах. Конкурсы дают специфический опыт работы в экстремальных условиях: в прошлом году был холод, дождь, в этом – пыль, жара. И надо буквально на ходу что-то программировать, менять, налаживать. Ещё разносторонне развиваешься как специалист: хоть формально мы делим между собой компетенции, но по факту занимаемся всем – программированием, электроникой, механикой, моделированием».
Максим Литвинченко : «Проект созвучен специальности, по которой я обучаюсь – мехатроника и робототехника. Соответственно, участие в конкурсах помогло узнать, как на деле выглядит создание роботизированных технических систем. Навыки разработки технической, электрической, программной части в будущем пригодятся мне в работе».
Иван Голоушин : Мои одногруппники, которые уже ездили на «Робокросс», предложили присоединиться. Стало интересно посмотреть, как процесс разработки машины-робота происходит на деле и поучаствовать в нём самому. Этот опыт уже дал плоды – меня уже зовут на работу многие предприятия».
«Благодаря участию в «Робокроссе» и «Пятом уровне» у студентов появляется возможность работать с современным оборудованием, которое устанавливается на коммерческих проектах того же Яндекса или СберАвтоТеха, узнать его возможности. Поэтому работодатели очень ценят даже простое участие в таких конкурсах, не говоря уж о победе. Ведь это означает, что человек представляет, как работает реальная система, у него есть опыт её разработки. Соответственно, «цена» такого специалиста кратно возрастает», - резюмирует А. С. Карпенков.
Взгляд в будущее
И разработки ковровской команды, и престижные федеральные конкурсы имеют отнюдь не теоретическое, а прикладное значение. Их цель – приблизить момент, когда на дороги выйдут беспилотные – и безаварийные – грузовики и такси. Когда же такое может произойти?
- Думаю, уже к 2030 году в России появятся коммерческие образцы беспилотной наземной техники, - уверен Андрей Сергеевич Карпенков . - Уже несколько лет крупные компании, такие, как СберАвтоТех, Яндекс, КАМАЗ, тестируют на дорогах общего пользования свои коммерческие разработки. Развитие этого направления видно и по прогрессу студенческих команд – участниц «Робокросса» – за последние 10 лет они очень выросли и продолжают развиваться. Так что совсем скоро беспилотные коммерческие грузоперевозки между городами станут реальностью. Скорость будет пока невысокой, но до 90 км/ч – на текущем уровне развития вполне реально.
На трассе М-11 Москва-Санкт-Петербург я лично видел 5-6 машин СберАвтоТеха, едущих в полностью автономном режиме. Пока, конечно, с оператором, который контролирует процесс движения. Видели такие машины, в том числе категории Е, на специальных полигонах НАМИ (ведущий российский научный и инжиниринговый центр транспортной индустрии) в Дмитрове. Там они проходили тестирование и подготовку к движению по дорогам общего пользования. Так что будущее уже здесь».
Немного истории
Стартом развития беспилотных технологий в КГТА можно считать 2010 год. Тогда команда студентов кафедры приборостроения победила во всероссийском конкурсе по робототехнике и в качестве приза получила «Газель». Приз был «целевой»: машину надо было роботизировать и участвовать с ней в конкурсе «Робокросс», до которого оставалось два месяца.
За это время молодые изобретатели должны были из обычной машины с механической коробкой передач сделать автомобиль с дистанционным управлением. Работали с утра до ночи, иногда даже ночевали в академии. Потому и команду назвали Red eye («Красные глаза»). Руководителем был кандидат технических наук Дмитрий Викторович Багаев, а капитаном – Денис Александрович Варабин (сейчас он также кандидат технических наук, советник генерального директора ВНИИ «Сигнал» и заведующий кафедрой интеллектуальных информационных систем и комплексов специального назначения КГТА).
С тех пор Ковровская академия участвовала в «Робокроссе» каждый год, постоянно повышая уровень. В 2014 году команду возглавил кандидат технических наук Андрей Сергеевич Карпенков, который за год до этого стал заведующим кафедрой робототехники и комплексной автоматизации. Он стал активно развивать направление беспилотных технологий, и в 2015 году команда KSTA Team под его руководством продолжила участие в «Робокроссе».
