Стэнфордские ученые-компьютерщики разработали систему искусственного интеллекта, которая позволяет вертолетам-роботам учиться выполнять сложные трюки, наблюдая, как другие вертолеты выполняют те же маневры.
В результате получился автономный вертолет, способный самостоятельно выполнить полное авиашоу из сложных трюков.
Эти трюки являются «безусловно самыми сложными фигурами высшего пилотажа, выполняемыми на любом вертолете с компьютерным управлением», - сказал Эндрю Нг, профессор, руководивший исследованиями аспирантов Питера Аббила, Адама Коутса, Тимоти Хантера и Моргана Куигли.
Великолепное авиашоу является важной демонстрацией «ученичества», когда роботы учатся, наблюдая за экспертом, а не заставляя инженеров-программистов клевать их клавиатуры в попытке написать инструкции с нуля.
Стэнфордская система искусственного интеллекта научилась летать, «наблюдая» за четырехфутовыми вертолетами, которыми управлял опытный пилот радиоуправления Гаретт Оку. «Гаретт может поднять любой вертолет, даже тот, который он никогда не видел, и совершить потрясающий пилотаж. Поэтому у нас всегда возникает вопрос, почему компьютеры не могут делать такие вещи?» Коутс сказал.
Компьютеры могут, оказывается. Недавним утром в пустом поле на окраине кампуса Эббель и Коутс подняли один из своих вертолетов, чтобы продемонстрировать автономный полет. Самолет, ярко окрашенный в стэнфордский красный цвет, представляет собой готовый радиоуправляемый вертолет с приборами, добавленными исследователями.
В течение пяти минут вертолет сам по себе проделывал головокружительную серию трюков, выходящих за рамки возможностей полномасштабного пилотируемого вертолета и других автономных вертолетов с дистанционным управлением. Вертолет с искусственным интеллектом выполнял целый шведский стол сложных маневров: перевороты, бочки, петли с пируэтами, развороты с пируэтами, лезвие ножа, Иммельманн, шлепок, перевернутое хвостовое скольжение и ураган, описанный как " быстрая обратная воронка."
Piece de résistance, возможно, был «тик-так», в котором вертолет, направленный прямо вверх, зависает из стороны в сторону, как если бы он был маятником перевернутых часов.
«Я думаю, что диапазон маневров, которые они могут выполнять, является самым большим» в области автономных вертолетов, - сказал Эрик Ферон, профессор аэронавтики и астронавтики Технологического института Джорджии, который работал над автономными вертолетами в Массачусетском технологическом институте. «Но что более впечатляет, так это технология, лежащая в основе этой работы. В каком-то смысле машина учится делать это, наблюдая за полетом опытного пилота. Это потрясающе».
Написание программного обеспечения для вертолетов-роботов - сложная задача, отчасти потому, что сам аппарат, в отличие от самолета, по своей природе нестабилен. «Вертолет не хочет летать. Он всегда хочет просто перевернуться и разбиться», - сказал Оку, пилот.
Для ученых вертолет в полете - это «нестабильная система», которая расклеивается без постоянного вмешательства. Эббил сравнивает управление вертолетом с балансированием длинного шеста на ладони: «Если вы не предоставите обратную связь, он разобьется».
В начале своего исследования Эббель и Коутс попытались написать компьютерный код, определяющий команды для желаемой траектории вертолета, выполняющего определенный маневр. В то время как этот подход с ручным кодированием был успешным с переворотами и кувырками на уровне новичка, он провалился со сложными тик-так».
Может показаться, что автономный вертолет может выполнять трюки, просто воспроизводя точные движения пальцев опытного пилота с помощью джойстиков на пульте дистанционного управления вертолета. Однако такой подход обречен на провал из-за неконтролируемых факторов, таких как порывистый ветер.
Когда исследователи из Стэнфорда решили, что их автономный вертолет должен быть способен выполнять трюки для авиашоу, они поняли, что даже определить их цель было сложно. Какова формальная спецификация "хорошо летать"? Ответ, как оказалось, заключался в том, что «хорошо летать» - это то, что опытный пилот радиоуправления делает на авиашоу.
Таким образом, исследователи заставили Оку и других пилотов летать на авиашоу целиком, в то время как каждое движение вертолета записывалось. Поскольку Оку повторял маневр несколько раз, траектория вертолета неизбежно немного менялась с каждым полетом. Но алгоритмы обучения, созданные командой Нг, смогли определить идеальную траекторию, которую искал пилот. Таким образом, автономный вертолет научился летать лучше и более последовательно, чем сам Оку.
Во время полета часть необходимых приборов устанавливается на вертолете, часть на земле. Вместе они непрерывно контролируют положение, направление, ориентацию, скорость, ускорение и вращение вертолета в нескольких измерениях. Наземный компьютер обрабатывает данные, делает быстрые расчеты и передает новые направления полета вертолету по радио 20 раз в секунду.
Вертолет несет акселерометры, гироскопы и магнитометры, последние из которых используют магнитное поле Земли, чтобы выяснить, в какую сторону направлен вертолет. Точное местонахождение корабля отслеживается либо GPS-приемником на вертолете, либо камерами на земле. (В случае более крупного вертолета весь навигационный пакет может находиться в воздухе.)
Существует интерес к использованию автономных вертолетов для поиска наземных мин в охваченных войной районах или для картографирования горячих точек лесных пожаров в Калифорнии в режиме реального времени, что позволяет пожарным быстро перемещаться к ним или от них. По словам Аббила, теперь пожарным часто приходится действовать на основе информации, полученной несколько часов назад.
Для того, чтобы мы могли доверять вертолетам в таких критически важных приложениях, важно, чтобы у нас были очень надежные, очень надежные контроллеры вертолетов, которые могут летать, возможно, не хуже, чем лучшие пилоты в мире, - сказал Нг. По его словам, автономные вертолеты Стэнфорда сделали большой шаг в этом направлении.