W dniach 3-5 lipca byłem na Politechnice Gdańskiej na IAV 2019 – konferencji naukowej poświęconej autonomicznym pojazdom. Agenda wyglądała niezwykle ciekawie. Można było znaleźć tematy dotyczące eksploracji kosmosu, dronów, autonomicznych samochodów, czy jednostek pływających.

Konferencja składała się z sesji plenarnych będących odpowiednikiem keynotów, gdzie zaproszone osoby przedstawiały przekrój swoich prac. Każdego dnia miały miejsce dwie takie prezentacje. Następnie przechodziliśmy do regularnych sesji, gdzie na kilku równoległych ścieżkach prezentowano wyniki badań naukowych. Zacznę od omówienia najciekawszych keynotów.

Autonomiczne pojazdy w kosmosie – Klaus Schilling

Konferencja zaczęła się z wysokiego C. Pierwszy prelegent brał udział w takich projektach jak:

  • Huygens – sonda ESA, która wylądowała na Tytanie, księżycu Saturna.
  • Rosetta – sonda ESA, która wylądowała na komecie Czurimow-Gerasimienko. Szczególną trudnością była bardzo niewielka grawitacja na komecie.
  • Mars Rover MIDD – łazik marsjański ESA. O tym akurat nie mogłem znaleźć informacji, ale najprawdopodobniej wyewoluował w ExoMars i Rosalind Franklin.

Wszystkie te trzy misje mają jedną wspólną cechę. Nie jest możliwe zdalne sterowanie przez człowieka, ponieważ w momencie lądowania opóźnienie komunikacji związane z czasem dotarcia sygnału na Ziemię i z powrotem jest zbyt długie. Dlatego każdy z tych pojazdów musiał być sterowany autonomicznie.

Ostatnie lata to szybki rozwój CubeSatów. Przed 2014 rokiem tylko kilkadziesiąt tego typu satelit było w kosmosie. Ostatnio SpaceX wyniósł na orbitę 60 takich satelit jednocześnie. Efektem ubocznym jest zwiększenie ilości kosmicznych śmieci i potrzeba manewrów wymijania i planowania trajektorii.

CubeSaty są dużo tańsze niż pełnowymiarowe satelity. Dlatego teraz może sobie na nie pozwolić nie tylko wojsko i duże organizacje rządowe jak NASA, ale również na przykład uczelnie i ośrodki badawcze. Dzięki temu pojawiają się coraz ciekawsze prace badawcze jak na przykład CubeSaty do tomografii komputerowej chmur pozwalające monitorować zmiany klimatu i lepiej prognozować pogodę.

CubeSaty są też wykorzystywane do wspomagania transportu kolejowego i morskiego oraz mają pomóc w zwiększeniu zasięgu sieci 5G. Ma powstać „Internet of Space”.

Można znaleźć w internecie kilka nagrań tego autora z podobną tematyką, część po niemiecku:

https://www.youtube.com/watch?v=SlO7hocL02I

Autonomiczne pojazdy podwodne – Ikuo Yamamoto

Autor jest twórcą robota podwodnego Urashima, który ustanowił rekord Guinessa w przebytym autonomicznie dystansie pod wodą – pokonał ponad 300 km. Autor prezentował filmy z YT, ale chyba są nazwane po japońsku, bo nie mogę ich znaleźć.

Podczas symulacji oporów wody okazało się, że optymalny kształt pojazdu jest bardzo zbliżony do kształtu ryb. Dlatego postanowił zbadać temat robotycznych ryb. Wyniki są tyleż interesujące co dziwne:

Jak widać od początkowego projektu robota ryby powstał również delfin, czy płaszczka. Był też prototyp robotycznej syreny, ale nie zdążyłem zrobić zdjęcia. Syrena posiada ogon od roboryby i ręce w postaci dwóch manipulatorów.

Sterowanie pojazdami z wieloma przyczepami – Maciej Michałek

Prezentacja podsumowywała 10 lat badań na Politechnice Poznańskiej. Jest to świetny przykład dobrze prowadzonego projektu naukowego. Od postawienia problemu będącego wyzwaniem dla naukowców przez proces badawczy zawierający wyprowadzenie modelu matematycznego, symulacje i opracowanie regulatorów aż do zastosowania teorii na realnych obiektach i potwierdzenia przydatności algorytmów. Aktualnie duże firmy produkujące ciężarówki współpacują przy badaniach.

Dzięki opracowanym algorytmom możliwe jest autonomiczne parkowanie tyłem ciężarówek z wieloma przyczepami, a także realizacja określonej trajektorii. Dzięki temu można np. poruszać się po krętej drodze tak, aby dalsze przyczepy z niej nie wypadły. Podczas prezentacji były pokazane świetne symulacje obrazujące precyzję tego algorytmu. Niestety nie udało mi się znaleźć filmików czy animacji nigdzie w internecie.

Inne keynoty dotyczyły między innymi projektu Galileo, czyli europejskiej alternatywy dla GPSa. W praktycznych zastosowaniach najlepiej korzystać z odbiorników wspierających nie tylko GPS, ale także Galileo i rosyjski GLONASS. Do tego przydatne jest wsparcie dla systemów zwiększających dokładność jak EGNOSS, czy WAAS. Dzięki stosowaniu fuzji kilku systemów możemy zwiększyć dokładność i uodpornić się na awarię systemu.

Było także wystąpienie prezesa Polskiej Agencji Kosmicznej o perspektywach Polski w branży kosmicznej. Okazuje się, że amerykański rynek różni się od europejskiego tym, że w USA startupy odnoszące sukces przeobrażają się w większe firmy. Natomiast w Europie wszystkie są kupowane przez kilku głównych graczy sprawiając, ze polskie firmy kosmiczne będą miały trudności aby zaistnieć samodzielnie. Jedyną szansą dla Polski jest wyspecjalizowanie się w wąskich dziedzinach. Dlatego agencja monitoruje publikacje naukowe z dziedzin przydatnych dla branży kosmicznej i tworzy statystyki kompetencji, w których mamy dobre zaplecze. Należą do nich między innymi Inżynieria Materiałowa, Mechanika, Software, czy Elektronika.

Sesje z wynikami badań

W ciągu trzech dni uczestniczyłem w ogromnej ilości prezentacji, dlatego nie jestem w stanie opisać każdej z nich. Skupię się więc ogólnie na zagadnieniach, które były poruszane. Prezentowane systemy miały przeróżne zastosowania takie jak:

  • robot potrafiący latać i jeździć
  • optymalizacja drogi hamowania i mijania/wyprzedzania w samochodach
  • autopiloty na autostradach
  • autonomiczne wyszukiwanie miejsc parkingowych
  • drony optymalizujące trasę na podstawie informacji o wietrze
  • analiza pierwszeństwa na skrzyżowaniach i optymalizacja czasu przejazdu

Okazuje się, że klasyczna teoria sterowania ma się całkiem dobrze i większość prezentowanych systemów korzysta właśnie z jej dobrodziejstw. Zdecydowanie najwięcej systemów opierało się na regulatorach predykcyjnych MPC (Model Predictive Control), poza tym nie brakowało Filtrów Kalmana, regulatorów Feed Forward, czy prostych PIDów. Praktycznie wszystkie modele ruchu pojazdów były nieliniowe. W wielu projektach wykorzystywany był oficjalny solver ESA do problemów nieliniowych WORHP (We Optimize Really Huge Problems). Do użytku akademickiego jest on darmowy.

Ostatniego dnia miałem już dość sesji o planowaniu ścieżek i optymalizacji sterowania, dlatego wybrałem coś lżejszego. Było między innymi o:

  • graficznych interfejsach wykorzystujących VR i AR do nawigacji statków
  • lidarach
  • klasyfikacji danych z lidarów i kamer przy pomocy Machine Learningu do wykrywania obiektów jak budynki, drzewa, ludzie.

Ciekawe było również połączenie klasycznej teorii sterowania z AI. AI jest odpowiedzialne za wybieranie wysokopoziomowych celów sterowania, a optymalizacja ścieżek i obliczanie sygnałów sterujących jest zadaniem klasycznych regulatorów.

Organizacja

O ile od strony merytorycznej konferencja była świetna, tak od strony organizacyjnej było wiele niedociągnięć. Szczególnie kuło to w oczy biorąc pod uwagę wysokie ceny biletów (600 EUR).

Zabrakło na przykład pakietów startowych. Co było szczególnie upierdliwe, bo zawierały one też identyfikator i szczegółową agendę. Poszczególne sesje startowały najczęściej przed czasem. A w cenie konferencji nawet nie było obiadu. Kawa i herbata tylko podczas jednej przerwy, potem zabierana. Pod tym względem konferencje programistyczne są zorganizowane o niebo lepiej.

Podsumowanie

Mimo tych niedociągnięć organizacyjnych, konferencja bardzo mi się podobała. Normalnie chyba nie miałbym szans zetknąć się z najnowszymi osiągnięciami, które były prezentowane w Gdańsku. Konferencja otwierała oczy na różne technologie i mnie osobiście napawała nadzieją, bo pokazała jak dużo zastosowań klasycznej automatyki w dalszym ciągu jest potrzebnych i jakie możliwości otwiera współpraca teorii sterowania z AI.

Łatwo było również zobaczyć, w jakich krajach technologia rozwija się najprężniej. To na pewno nie przypadek, że najwięcej publikacji było z Niemiec. Na drugim miejscu uplasowała się Polska, jednak tutaj chyba powodem było miejsce konferencji. Na trzecim z kolei Japonia. USA pewnie ma swoje lepsze konferencje na ten temat wspierane przez Google, Ubera, Teslę i tak dalej. Pewnie tam dopiero pokazują cuda. Jeżeli chodzi o wsparcie biznesu, to najlepiej to widać na przykładzie Niemców. Praktycznie każde badanie powstawało przy udziale BMW albo innego Daimlera. Mają też komercyjne ośrodki badawcze dostosowujące technologię do potrzeb biznesu.

Mimo wszystko jednak miałem wrażenie oderwania konferencji od biznesu. Obecne było jedynie środowisko naukowe. Niby Intel był jednym ze sponsorów, ale chyba nawet nie wysłał żadnego przedstawiciela.