...
...

Роботы. Соревнования IGVC 2011

Студенческие соревнования Intelligent Ground Vehicle Competition (IGVC) для многих из наших читателей в особом представлении не нуждаются. Для тех, кто не в курсе, скажем, что это одни из самых крупных состязаний наземных роботов (на данный момент уже полностью автономно-управляемых), которые проводятся на территории США под руководством и со спонсорской поддержкой крупнейших военных ведомств этой страны (в основном со стороны TARDEC — Tank Automotive Research, Development and Engineering Center), а также ведущих объединений в области робототехники. Соревнования проводятся с 1993 года, и участвуют в них команды, представляющие крупнейшие вузы США, хотя в числе 56 команд этого года были отмечены представители Канады, Индии, Японии и ОАЭ. То есть, на сегодня — это уже интернациональное мероприятие.

Робот Navigator команды IEEE Student Branch из Rutgers University

Если говорить об уровне участников, то можно отметить, что некоторые команды помимо IGVC принимают участие во многих других крупных состязаниях, некоторых из «стариков» можно было заметить и на знаменитых DARPA Urban Challenge. А если сейчас зайти на сайты некоторых команд, то очевидно, что они живут от одних соревнований к другим, и занимаются только роботами.

5-10 лет назад с точки зрения призового фонда IGVC можно было считать скорее имиджевым мероприятием для участников, больше приносящим пользы в плане открытия карьерных перспектив. Но вместе с тем стоит отметить высокий уровень требований, который постепенно вывел IGVC в разряд одних из самых сложных ежегодных соревнований среди роботоделов, и в этом статусе мероприятие начало приобретать особую популярность. Сейчас денежные вознаграждения победителям значительно выросли, хотя, несмотря на спонсорскую поддержку со стороны крупных объединений, участникам 2011 года все- таки нужно было вносить предварительную оплату в размере $250.





Давайте рассмотрим, что было актуально для нынешних состязаний, проходивших с 3-го по 6 июня. Открытые данные о победителях появятся к концу июня, это так ожидается, а может и позже. Сайт IGVC обновляется неинтенсивно, причем не совсем понятно, делается ли это намеренно.

Общие требования к роботам. Квалификация

Исполнение: наземные машины с любыми способами передвижения.
Длина: минимум три фута, максимум — семь.
Ширина: минимум два фута, максимум — пять.
Высота: не больше 6 футов, исключая антенну.
Развиваемая скорость: минимум 1 миля в час, максимум — 10 миль в час. При этом в случае, когда машина не развивает скорость в 1 милю в час, проехав от старта 88 футов, она не допускается к соревнованиям, точнее, к его основным этапам.

Остановка устройства человеком (E-Stop) должна быть исполнена в двух видах — механическом (кнопка) и дистанционном (с расстояния минимум 100 футов). В рамках соревнований она производится командами либо судьями.
Должна быть предусмотрена световая индикация того, что устройство работает.
Каждый робот должен быть рассчитан на переноску груза — ящика размером 18х8х8 дюймов и весом в 20 фунтов.

Допуск машины к соревнованиям (его ключевым этапам) производится после специального квалификационного теста, в рамках которого проверяются соответствия вышеизложенным требованиям. Помимо этого производится проверка на ключевые способности, а именно, определение линии и следование по ней, обнаружение и объезд препятствий. После, по одобрению жюри, робот допускается к основным этапам. Если квалификация не пройдена, команда может принять участие только в двух этапах, где предусмотрены специальные призовые фонды, отдельные от остальных участников.

Об этапах и наградах

IGVC 2011 подразумевала четыре ключевые этапа, о которых мы подробнее расскажем ниже, а сейчас вкратце перечислим:
. Autonomous Challenge — перенос груза по трассе с препятствиями.
. Design Challenge — представление робота (документация, выступления).
. Navigation Challenge — задание на навигацию.
. JAUS Challenge — задание на взаимодействие с протоколом JAUS.

Каждый этап соревнований подразумевает собственный призовой фонд, то есть можно сказать, что это не совсем похоже на обычное спортивное многоборье, где все считается вкупе, хотя есть и общий приз по результатам всех вариантов состязаний. На каждом этапе наградными являются первые шесть мест. При этом есть интересное ограничение — если в призеры входит несколько команд из одного и того же учебного заведения, то деньги и само призовое место закрепляются за лучшей из них.

Поэтому помимо основного призового фонда в Autonomous Challenge предусмотрен дополнительный, где награждаются команды, не вошедшие в шестерку победителей. Дополнительные призовые фонды имеются и для всех остальных этапов: так, в рамках Design Challenge и JAUS Challenge за них сражаются команды, роботы которых не прошли квалификацию.

Этап Autonomous Challenge

На протяжении многих лет соревнований этот этап является ключевым и, пожалуй, самым сложным. Основная задача — робот должен самостоятельно доставить груз от старта к финишу, не выезжая за границы трассы и объезжая препятствия.

Если вспомнить состязания 2004 года, начиная с которых мы стали отслеживать событие IGVC, тогда имелась очерченная линиями трасса с небольшим количеством препятствий (одинаковых, раскрашенных в оранжево-белую полоску бочек). Тогда это казалось на пике возможностей, и далеко не все команды успешно справились с заданием. Вместе с тем, уже в следующем году организаторы пошли на усложнения — сделали препятствия на трассе разноцветными. Потом были введены ограничения по минимальной скорости прохождения и так далее. Давайте же посмотрим, что предлагается уже в 2011- м…

Соревнования этого года можно назвать очень сложными. Во-первых, на трассе появился участок, границы которого очерчиваются не сплошными, а пунктирными линиями. Помимо разноцветных препятствий, также в правилах было оговорено условие наличия естественных (деревья, кусты). Но и это не самый сложный момент. На трассе, в ее конце, появились флажки, которые также являются своего рода ограничителями, а именно, красные нужно объезжать слева, а зеленые справа. Причем флажки не расцениваются как препятствия, то есть их можно касаться, главное — это с какой стороны их объезжает робот.

Примерная схема трассы для этапа Autonomous Challenge

Трасса расположена на площади 330х240 футов и имеет общую длину 1330 футов.

Она является дифференцированной, что связано с внедрением в этап Autonomous Challenge GPS-навигации (см. примерную схему). Командам предлагается два варианта маршрутов следования с указанием контрольных точек. В рамках представленной схемы они описываются по ключевым точкам (waypoints) — 6-2-3-8-7 или же 6-5-4-1-7. По уровню сложности и расстоянию оба маршрута равноценны.

Любой из выбранных курсов нужно преодолеть за пять минут, по истечении этого времени, если финиш не достигнут, судьи нажимают E-Stop. При этом и система штрафов довольно жесткая.
. На старте робот должен за 88 футов разогнаться до скорости не менее 1 мили в час, иначе он снимается с трассы.
. Средняя скорость не должна быть меньше 1 мили в час, иначе робот снимается с трассы.
. Отклонение от курса — -10 футов.
. Столкновение с препятствием с его смещением — -10 футов.
. Небрежное вождение — -5 футов.
. Задевание препятствия — -5 футов.
. E-stop со стороны команды — -5 футов.
. Блокирование движения — -5 футов.
. Объезд флага не с той стороны — -5 футов.

Для того чтобы не было непонятностей, скажем, что при судействе учитывается время, за которое робот достиг финиша. Снятие штрафных очков осуществляется просто — один штрафной фут приравнивается к одной штрафной секунде. Тот, у кого время прохождения будет наименьшим, становится победителем. Каждой команде дается право трех заездов (в каждом по три попытки).

В 2011-м за первое место вручили $25 тыс. Чтобы упростить дальнейшее описание, здесь и дальше я не буду приводить суммы призов всех шести первых мест, а также дополнительных. Если вам это интересно, можете прочитать правила на сайте IGVC (http://igvc.org).

Этап Design Competition

Этот этап демонстрирует студенческую сущность мероприятия. Ведь помимо создания робота, его нужно грамотно и популярно представить публике, рассказать о реализованной модели и применяемых технологиях. Данный навык очень полезен для будущих инженеров, поскольку в технике очень много идей нужно уметь продвигать и продавать.

Причем данный этап делится на несколько промежуточных. Первый из них — письменный отчет (документация).
Требования: не более 15 стандартных страниц, включая текст и графические материалы. За превышение лимита снимается 5 очков. Все отчеты должны были быть высланы до 10 мая куратору соревнований, каждый день опоздания с отправкой — 10 очков штрафа.

Теперь о том, за что очки начисляются (указаны максимальные оценки по пунктам):
. Отображение процесса проектирования и организации команды (включая описание принятых решений и разработку программного обеспечения) — 50. . Законченность документации — 50.
. Качество документации (английский язык, грамматика и стиль) — 50.
. Эффективность инновации, представленной в дизайне (оценивается по тем же трем критериям, что описаны выше) — 150.
. Схематическое описание устройства — 100.
. Описание электронного наполнения — 100.
. Описание стратегии программного обеспечения — 150.
. Описание интеграции систем. Должно включать описания реализаций: отслеживания линий, обнаружения/объезда препятствий, навигации по ключевым точкам (GPS) — 150.
. Эффективное использование энергии и материалов — 50.
. Внимание, уделенное безопасности, надежности и долговечности — 50.

В итоге по максимуму за письменный отчет можно получить 900 очков. Примеры документаций-отчетов с IGVC этого года вы можете посмотреть по ссылкам: http://ieee.rutgers.edu/system/files/IGVC2011-Final1.pdf (команда IEEE Student Branch из Rutgers University) или http://uwrobotics.uwaterloo.ca/igvc/uwrt_igvc_2011.pdf (команда University of Waterloo).

Второй промежуточный этап — выступление перед аудиторией. В данном случае очки начисляются за:
. Ясное и понятное изложение инноваций — 50.
. Логическую организацию выступления — 25.
. Эффективное использование графических материалов для помощи — 25.
. Артикуляцию — 20.
. Демонстрацию симуляции управления устройством — 10.
. Ответы на вопросы — 10.
. Способность это устройство продать — 10.

Итого, в максимальном случае за выступление перед аудиторией можно получить 150 очков.

Третий промежуточный этап — представление робота. В его рамках жюри оценивает машину по таким параметрам, как:
. Емкость внешнего исполнения, эффективное использование пространства в рамках конструкции — 20.
. Удобство обслуживания — 20.
. Прочность — 20.
. Надежность — 20.
. Оценка оригинальности (уникальности) элементов — 50.
. Стильность дизайна, внешний вид — 20.

И если учитывать, что по максимуму на этом промежуточном этапе можно заработать опять же 150 очков, суммарно Design Competition может принести 1200.

И в данном случае мы говорим только об отборочном туре, после которого выбирается 6 команд финалистов, после чего они предстают перед жюри и представляют свою модель в режиме расширенного выступления. Приз за первое место в Design Competition составляет $3 тыс.

Этап Navigation Challenge

Этап Navigation Challenge довольно близок по идее к варианту Autonomous Challenge, только в его рамках робот, получая данные по GPS, должен обойти все контрольные точки, координаты которых заранее даются в задании, и приехать к точке старта. На поле имеются различного рода препятствия (бочки, баррикады), которые нужно огибать, а также имеется область, отделенная стеновыми блоками. На соответствующем рисунке вы можете увидеть, что первые из трех точек являются стартовыми/финишными. Дело в том, что каждой из команд дается возможность одного заезда от каждой, а на каждый заезд выделяется две попытки.

Примерная схема трассы для этапа Navigation Challenge

В контрольные точки нужно въезжать с определенной точностью. Также даются ограничения по времени — все нужно обойти и приехать к финишу за пять минут. Точки и сама трасса построены по тому принципу, чтобы общее проходимое расстояние равнялось примерно 200 м, то есть средняя скорость передвижения робота в данном случае должна составлять 1,2 мили в час.

Многие участники делали основную ставку на Navigation Challenge, поскольку он проще Autonomous. И это так: не нужно отслеживать разметку, выполнять условия с флажками и т.п. То есть, достаточно иметь датчики определения препятствий, GPS и программу, которая преобразует данные с GPS в XY-представление, а также будет составлять оптимальный маршрут от одной точки к другой, руководствуясь координатами и данными о препятствиях. Кстати, это очень похоже на составление оптимального маршрута в компьютерных играх. И наверняка многие использовали для этих целей тот же алгоритм А*-поиска, который мы когда-то описывали в серии материалов «Популярно об ИИ».

Приз за первое место в данном состязании составлял $5000.

Этап JAUS Challenge

О том, что такое JAUS (Joint Architecture for Unmanned Systems), мы уже не раз писали, напомним, что это проект, который используется в армии США и подразумевает под собой общую архитектуру взаимодействия беспилотной техники. На самом деле, под JAUS сейчас принято подразумевать как семейство различных протоколов, так и вообще интерфейсов взаимодействия. То есть само понятие является общим, охватывающим различные области. Для студентов в рамках соревнований IGVC, а также всех смежных состязаний (беспилотная авиация и т.п.) на базе JAUS было разработано программное обеспечение COP (Common Operating Picture), поддерживающее управление, описанное в JAUS Core Service Set (AS5710), а также коммуникацию через JAUS Transport Specification (AS5669A). И если говорить о последнем, то в рамках описываемых нами соревнований предусматривался протокол Ethernet-JUDP.

Хотя звучит все довольно сложно, на самом деле мы подразумеваем довольно простую и прозрачную схему взаимодействия интерфейсов, через которую производится управление роботами в рамках единой командной системы.

Также для указания ключевых точек и отслеживания текущего месторасположения используется стандарт JAUS Mobility Service Set (AS6009), или сокращенно — JSS-Mobility.

Все эти документы, описания архитектур, протоколов и спецификаций, а также исходные коды можно найти в свободном доступе (если мы говорим о студенческом и пользовательском уровнях).

Сама программная оболочка COP является высокоуровневым решением, эмулирующим стандартный JAUS-протокол, а также выводящим все происходящее на клиентские приложения, например, в виде примитивной 2D-карты, на которой видны роботы, и ими можно управлять.

Помимо ряда простых заданий, командам нужно было и реализовать передвижение по ключевым точкам. Тут стоит несколько пояснить, что же оценивалось на самом деле. При взаимодействии интерфейсов вы просто общаетесь на уровне команд, но возможности и качество их исполнения зависят только от того, как это может произвести робот. Это зависит от двух составляющих: способностей самой машины и правильной интерпретации полученных команд. И в целом мы можем говорить о совместимости с JAUS.

Данный этап также являлся не самым трудным для студентов, причем в нем в рамках отдельного призового фонда могли участвовать машины, не прошедшие квалификацию. А главный приз этапа составлял $4 тыс.

Подытожим

В конце июня в Европе проводятся крупные состязания — Elrob, которые мы также опишем, причем они имеют другие правила и, несомненно, представляют не меньший интерес. Что касается IGVC 2011, то, конечно, несколько удивил уровень требований Autonomous Challenge. Интересно, в какую сторону будут развиваться усложнения дальше. Учитывая, что в этот этап уже начали активно внедрять GPS-навигацию, вполне может статься, что вскоре откажутся от ограничительной разметки, указывая маршруты следования по GPS. Хотя разметка может и остаться, и если она будет напоминать дорожную, то мы получим не что иное, как аналог DARPA Urban Challenge (соревнования, в рамках которых беспилотные автономные машины ездили по городской местности). В принципе, любая из команд, участвовавшая в IGVC этого года, смогла бы сделать такую машину.

Кристофер http://itcs.3dn.ru



© Компьютерная газета

полезные ссылки
Обзор банков Кипра
Обзор банков Кипра