Международный конкурс воздушной робототехники ( IARC ) — это университетский конкурс робототехники, проводимый на территории Технологического института Джорджии . С 1991 года студенческие команды при поддержке промышленности и правительства выставляют автономных летающих роботов , пытаясь выполнить миссии, требующие роботизированного поведения, ранее не демонстрируемого летательными аппаратами. [1] Термин «воздушная робототехника» был придуман создателем конкурса Робертом Майкельсоном в 1990 году для описания нового класса небольших высокоинтеллектуальных летательных аппаратов. [2] [3] Последовательные годы соревнований привели к тому, что эти воздушные роботы выросли из транспортных средств, которые едва могли удерживаться в воздухе, в автоматы, которые являются самостоятельными, самонаводящимися и способными взаимодействовать с окружающей средой.
Целью конкурса было дать повод для развития воздушной робототехники . [4] Задачи были направлены на достижение прогресса. С 1991 по 2009 год было предложено шесть миссий. Каждая из них включала полностью автономное поведение робота, не продемонстрированное на тот момент. [5] [6] В октябре 2013 года была предложена седьмая миссия. Она стала первой, в которой предполагалось взаимодействие между воздушными роботами и несколькими наземными роботами. [7] В 2016 году конкурс и его создатель были признаны на законодательной сессии Джорджии в форме резолюции сената самым продолжительным конкурсом воздушной робототехники в мире. [8]
Первоначальная миссия по перемещению металлического диска с одной стороны арены на другую многим казалась почти невыполнимой. Команды колледжей улучшили свои показатели в течение следующих двух лет, когда соревнование увидело свой первый автономный взлет, полет и посадку командой из Технологического института Джорджии. В 1995 году команда из Стэнфордского университета смогла приобрести один диск и переместить его с одной стороны арены на другую в полностью автономном полете — наполовину. [9] [10]
Миссия конкурса была ужесточена и стала менее абстрактной, требуя от команд поиска свалки токсичных отходов, картирования местоположения частично закопанных случайным образом ориентированных бочек с токсичными отходами, идентификации содержимого каждой бочки по этикеткам с предупреждениями об опасности на внешней стороне каждой бочки и возврата образца из одной из бочек. [11] В 1996 году команда из Массачусетского технологического института и Бостонского университета при поддержке Draper Labs создала небольшого полностью автономного летающего робота, который неоднократно и правильно картировал местоположение всех пяти бочек с токсичными отходами и правильно идентифицировал содержимое двух с воздуха, [12] выполнив примерно семьдесят пять процентов миссии. В следующем году воздушный робот, разработанный командой из Университета Карнеги-Меллона, завершил всю миссию. [10]
Третья миссия началась в 1998 году. Это была поисково-спасательная миссия, требующая полностью автономных роботов для взлета, полета в зону бедствия и поиска среди пожаров, сломанных водопроводных магистралей, облаков токсичного газа и обломков. [13] Сценарий был воссоздан на учебном объекте HAMMER (Hazardous Material Management and Emergency Response) Министерства энергетики США . Из-за реалистичности сценария вместо людей-актеров использовались аниматроны для имитации выживших, неспособных самостоятельно выбраться из зоны бедствия. [14] Воздушный робот из немецкого Технического университета Берлина смог обнаружить и обойти все препятствия, идентифицировать всех погибших на земле и выживших (различая их по движению) и передать фотографии выживших вместе с их местонахождением спасателям, которые попытались провести спасательную операцию. [15] Эта миссия была завершена в 2000 году. [16]
Четвертая миссия была начата в 2001 году. Она включала три сценария, требующих одинакового автономного поведения: миссия по спасению заложников, где подводная лодка в 3 километрах от побережья должна отправить воздушного робота, чтобы найти прибрежный город, идентифицировать посольство, где удерживаются заложники, найти действительные отверстия в здании посольства, войти (или отправить сенсорный зонд/подводную лодку) и передать фотографии заложников на расстояние 3 км на подводную лодку, прежде чем организовать десантный десант на посольство для освобождения заложников; [17] обнаружение древнего мавзолея, где вирус убил археологическую группу, которая передала по радио, что внутри висит важный и незадокументированный гобелен, с 15 минутами на отправку автономного воздушного робота, чтобы найти мавзолей, войти в него (или отправить сенсорный зонд/подводную лодку) и передать фотографии гобелена до разрушения мавзолея и его содержимого; [17] и взрыв на ядерном реакторе, когда ученые должны отправить воздушного робота, чтобы найти здание работающего реактора, войти в здание (или отправить туда сенсорный зонд/подводную лодку) и передать изображения панелей управления, чтобы определить, неизбежен ли расплав. [17]
Все три миссии включали одни и те же элементы проникновения, определения местоположения, идентификации, входа и передачи изображений в течение 15 минут. [18] Она проводилась в боевой лаборатории солдат армии США Форт-Беннинг с использованием полигона McKenna MOUT (военные операции на городской местности). Четвертая миссия была завершена в 2008 году с 27 командами, которые продемонстрировали каждое из требуемых поведений воздушных роботов, за исключением того, что они были способны продемонстрировать эти поведенческие реакции менее чем за 15 минут — подвиг, который судьи посчитали неизбежным при наличии большего количества времени, и, следовательно, больше не представлял значительной проблемы. Таким образом, четвертая миссия была завершена, 80 000 долларов США были распределены в качестве наград, и была учреждена пятая миссия. [19] [17]
Пятая миссия продолжила с того места, где остановилась четвертая миссия, продемонстрировав полностью автономное поведение воздушного робота, необходимое для быстрого преодоления замкнутых внутренних пространств конструкции после того, как в нее проникло воздушное транспортное средство. Сценарий взрыва ядерного реакторного комплекса четвертой миссии был использован в качестве фона для пятой миссии. Пятая миссия требовала, чтобы полностью автономный летательный аппарат проник в конструкцию и преодолел более сложное внутреннее пространство, содержащее коридоры, небольшие комнаты, препятствия и тупики, чтобы искать назначенную цель без помощи навигационных средств глобального позиционирования и передавать изображения обратно на станцию мониторинга, находящуюся на некотором расстоянии от конструкции. [20] Первый симпозиум по вопросам полетов в помещении был проведен совместно с этим мероприятием IARC 2009 года.
Шестая миссия началась в 2010 году как расширение темы пятой миссии автономного поведения полета в помещении, однако она потребовала более продвинутого поведения, чем было возможно для любого воздушного робота, существовавшего в 2010 году. Эта шпионская миссия включала скрытую кражу флэш-накопителя из определенной комнаты в здании и размещение идентичного диска, чтобы избежать обнаружения кражи. Симпозиум 2010 года по вопросам полетов в помещении проводился одновременно в Университете Пуэрто-Рико - Маягуэс во время конкурса в честь 20-летия. [21]
Седьмая миссия началась в 2014 году, требуя более продвинутого поведения, чем было возможно для любого воздушного робота, существовавшего в 2014 году. Один автономный воздушный робот должен был согнать до 10 автономных наземных роботов-целей через один обозначенный конец арены размером 20 м x 20 м (65,62 фута x 65,62 фута) менее чем за 10 минут. На арене не было ни стен для картирования SLAM , ни GPS . Такие методы, как оптический поток или оптическая одометрия, были возможными решениями для навигации на арене. [22] Столкновения с препятствиями наземных роботов заканчивали забег без очков. Автономные воздушные роботы взаимодействовали с наземными роботами следующим образом: если воздушный робот касался наземного робота сверху, наземный робот поворачивался по часовой стрелке на 45°. Если воздушный робот блокировал его движение вперед, приземляясь перед ним, наземный робот менял направление. Наземные роботы, которые с легкостью покинули арену, учитывались в общем счете воздушного робота, поэтому автономные воздушные роботы должны были решить, какие наземные роботы подвергались непосредственной опасности пересечения любой границы, кроме обозначенной, и перенаправить их к обозначенной границе. [23] Чжэцзянский университет стал абсолютным победителем Миссии 7, [24] [25] из 52 команд из 12 стран, принявших участие в качестве участников. [26]
В 2018 году была анонсирована 8-я миссия. Миссия 8 впервые была сосредоточена на неэлектронном взаимодействии человека и машины, при этом четыре воздушных робота помогали людям выполнять задачи, которые один человек не мог выполнить самостоятельно. Суть миссии 8 заключалась в том, что рой автономных воздушных роботов работал с человеком, чтобы выполнить задачу в присутствии враждебных «воздушных роботов-часов», которые пытались помешать человеку. [27]
В 2018 году, в первый год миссии 8, Американская площадка была проведена в кампусе Технологического института Джорджии в Атланте, штат Джорджия, а Азиатско-Тихоокеанская площадка была проведена в Университете Бэйхан в Пекине, Китай. В следующем году Миссия 8 была успешно завершена в Куньмине, Китай, в Институте инноваций Юньнань Университета Бэйхан менее чем за 8 минут тремя командами. Из них Нанкинский университет аэронавтики и астронавтики (NUAA) смог завершить миссию за самое быстрое время завершения. Университет Сунь Ятсена завершил миссию в течение 10 секунд после NUAA. Харбинский институт также завершил миссию, за 12 секунд до конца. NUAA выиграл главный приз в размере 10 000 долларов. [28]
В 2023 году была завершена 9-я миссия. [29] Миссия 9 была сосредоточена на полностью автономном полете с использованием только бортовых вычислений, избегая препятствий и других воздушных роботов на маршруте длиной 3 км, чтобы заменить коммуникационный модуль весом 2 кг (4,4 фунта), длиной около 1 м (39 дюймов) на мачте движущейся платформы (лодка при состоянии моря 3) и вернуться домой менее чем за 9 минут. [30] Двенадцать зарегистрированных команд из четырех разных стран попытались провести миссию в своих домашних университетах, что было обусловлено ограничениями на поездки из-за COVID. Лучшими результатами обладала команда из Норвежского университета науки и технологий (NTNU). Эта команда продемонстрировала все требуемые модели поведения, указанные в официальных правилах миссии 9, в нескольких аутентифицированных заездах, но в своем последнем зачетном заезде столкнулась с отказом оборудования, которое было успешно продемонстрировано в предыдущих заездах. Однако в конечном итоге совокупные результаты были оценены как квалифицирующие команду как общего победителя. [31] [32]
Команды колледжей, участвующие в IARC, в основном приехали из США и Китайской Народной Республики, но также из Германии, Англии, Швейцарии, Норвегии, Испании, Канады, Чили, Катара, Ирана и Индии. Команды варьируются по размеру от нескольких студентов до двадцати и более. В состав команд входят как студенты бакалавриата, так и аспиранты, но некоторые команды полностью состоят из студентов или аспирантов. Промышленность не имеет права участвовать, но она может помочь студенческим командам с финансированием и оборудованием. [33] [34]
Воздушные роботы различаются по конструкции от самолетов с фиксированным крылом до обычных вертолетов [35] , от воздухозаборников до дирижаблей [36] и далее до причудливых гибридных творений. [37] Поскольку конкуренция сосредоточена на полностью автономном поведении, само воздушное транспортное средство имеет меньшее значение.
Воздушные роботы должны быть беспилотными и автономными, и должны соревноваться на основе своей способности чувствовать полуструктурированную среду арены соревнований. Они могут быть интеллектуальными или предварительно запрограммированными, но для большинства миссий они не могут управляться удаленным оператором-человеком. Ограничения по размеру или весу обычно накладываются на воздушных роботов, которые должны быть оснащены методом ручного дистанционного управления основной двигательной системой. [38] Миссия 8 была исключением, поскольку она позволяла оператору-человеку управлять четырьмя автономными летательными аппаратами с помощью жестов рук или голосовых команд. [39]
Призы IARC традиционно были «победитель получает все», хотя в первые годы конкурса денежные награды за прогресс в дальнейшем развитии лучших исполнителей вручались. Третья миссия заняла три года, и Технический университет Берлина в конечном итоге выиграл 30 000 долларов. [40] С четвертой миссией стало ясно, что не будет быстрых победителей, и что каждой из команд потребуется несколько лет развития. Поэтому был установлен постепенный «растущий призовой фонд», в который Ассоциация по международным системам беспилотных транспортных средств добавляла еще 10 000 долларов США каждый год. Уровень приза 2008 года был установлен на уровне 80 000 долларов. Любая команда, завершившая четвертую миссию менее чем за 15 минут, получала весь приз в размере 80 000 долларов, в противном случае приз распределялся на основе результатов участников 2008 года, наиболее близко приблизившихся к цели миссии за 15 минут. К 2008 году были продемонстрированы уровни 1–3 четвертой миссии, доказав, что все требуемые воздушные роботизированные модели поведения возможны, но к концу мероприятия 2008 года ни одна команда не смогла последовательно и бесперебойно продемонстрировать все модели поведения менее чем за 15 минут. Таким образом, 80 000 долларов были разделены между десятью финалистами: ( Технологический институт Джорджии получил 27 700 долларов; Политехнический институт Вирджинии и Государственный университет — 17 700 долларов; Эмбри Риддл /ДеВри Калгари — 12 200 долларов, а оставшаяся часть была разделена между другими финалистами на основе заслуг). [41] В 2009 году 10 000 долларов были присуждены команде из Массачусетского технологического института за выполнение Миссии 5. [42] В августе 2013 года команда из Университета Цинхуа завершила всю шестую миссию, выиграв тем самым 40 000 долларов. [43] Впоследствии Чжэцзянский университет выиграл 20 000 долларов в 2018 году за выполнение Миссии 7, [44] а Нанкинский университет аэронавтики и астронавтики получил 10 000 долларов за выполнение Миссии 8. [45] Миссия 9 была завершена Норвежским университетом науки и технологий и получила 10 000 долларов в 2023 году за лучшее выступление против двенадцати международных команд из США, Китая и Индии. [46]
Создатель конкурса Роберт Михельсон является бывшим президентом Международной ассоциации беспилотных транспортных систем (AUVSI) . [11] IARC был впервые создан с начальными инвестициями на логистику и главным призом, который поддерживался Ассоциацией. [47] После первоначального успеха и огромного внимания СМИ, привлеченного IARC, AUVSI запустила конкурс интеллектуальных наземных транспортных средств [48] несколько лет спустя в Детройте, штат Мичиган. Он был организован членом совета AUVSI Джерри Лейном, который в то время работал в танковом автомобильном командовании армии США. В 1998 году подводное сообщество было представлено, когда AUVSI и Управление военно-морских исследований США объединились, чтобы предложить первый Международный конкурс автономных подводных транспортных средств [49], который проводится ежегодно в США. Все эти соревнования, наземные, морские и воздушные, имеют в своей основе «полную автономность» как отличительную характеристику. Международный фонд Ассоциации беспилотных транспортных систем (переименованный в 2009 году в «RoboNation») продолжает поддерживать эти соревнования логистикой и призовыми деньгами, хотя существуют также многочисленные спонсоры из отрасли. [50]
{{cite episode}}: Внешняя ссылка в |credits=Хотя в настоящее время ведутся работы по созданию полностью автономных MAV, способных работать в помещениях в начале XXI века с использованием навигационных стратегий поиска/избегания, самыми маленькими и наиболее интеллектуальными полностью автономными роботами в настоящее время являются те, которые участвуют в Международном конкурсе воздушной робототехники.