Student World

Ty se snaží absolvovat zadaný okruh vedoucí po parkových cestách, přičemž o vítězi rozhoduje především spolehlivost – rychlost je až na druhém místě. Vítězem se stává robot, který ujede nejdelší vzdálenost bez toho, aby vybočil ze zadané trasy. Zúčastnit se může jakýkoliv robot schopný absolvovat krátkou testovací trasu a splňující bezpečnostní podmínky (omezená maximální rychlost a hmotnost, tlačítko nouzového zastavení, detekce překážek).
Z devatenácti  přihlášených českých, slovenských a italských týmů splnilo tyto podmínky týmů patnáct. Zúčastněné týmy byly z výzkumných ústavů, vysokých a středních škol, zájmových kroužků a firem zabývajících se robotickými aplikacemi. Soutěž pořádalo občanské sdružení Robotika ve spolupráci s Karlovou universitou a VUT v Brně.

Soutěž

Soutěž RoboTour je nejen demonstrací navigačních schopnosti robotů v podmínkách blízkých silničnímu provozu, ale především setkáním lidí, kteří se robotikou zabývají. Popularita soutěže rok od roku roste, což se projevuje nejen zvyšujícím se počtem účastníků a diváků, ale i zmínkami v odborných časopisech [1].
Během soutěže také probíhá řada doprovodných akcí a přednášek o mobilní robotice, v roce 2007 byl dokonce vydán sborník [2] popisující roboty a navigační metody jednotlivých týmů.

Mapa parku s vyznačenými cestami

 
V roce 2009 bylo úkolem robotů autonomně projet čtyři téměř kilometrové okruhy tvořené chodníky v parku.
Každý ze soutěžních okruhů se jel v jiném kole, přičemž roboty jednotlivých týmů startovaly současně z náhodně vybraných pozic na okruhu. Třicet minut před startem daného kola byl týmům oznámen aktuální soutěžní okruh a soutěžící připravili svoje roboty k závodu.  Deset minut před startem byly týmy odvedeny rozhodčími na startovní pozice, kde bylo možné přípravy dokončit – týmy ale nesměly robotu startovní pozici jakkoliv sdělit.

 Snímek s rozpoznanými objekty

Start provedl rozhodčí stiskem tlačítka na robotu a od té chvíle se robot musel pohybovat zcela samostatně.
Na zdolání každé trasy měly roboty třicetiminutový limit a při své jízdě nesměly z chodníků vyjet nebo narazit do připravených překážek. Pokud se tak stalo, byla změřena ujetá vzdálenost a soutěžní jízda robotu byla ukončena.
Každý tým mohl soutěžit až se třemi roboty, které se však musely pohybovat v koloně s předepsanými rozestupy.
Hodnocení výkonu týmu probíhalo na základě celkové ujeté vzdálenosti, počtu robotů v koloně a nákladu, který roboty vezly.

Robot týmu ČVUT – rok 2008

Cesta k navigaci

Každého jistě napadne, že k řešení této úlohy postačí dobrý GPS přijímač – vždyť přesnost diferenciální GPS se pohybuje v řádu centimetrů. Jenže k dosažení takové přesnosti je nutné splnit celou řadu předpokladů – především přímou viditelnost satelitů, ze kterých je pozice přijímače odhadována. Přesnost GPS tak značně klesá nejen uvnitř budov, ale i v lesoparcích a mezi vysokými stavbami.
Zkušenosti účastníků RoboTouru ukazují, že v lesoparcích jako je pražská Stromovka nebo brněnské Lužánky se chyba určení pozice GPS přijímače pohybuje v řádu desítek metrů. Taková přesnost je pro udržení robotu na typické parkové cestě nedostačující.

Další možností určení pozice spočívá v měření ujeté vzdálenosti senzory mechanicky spojenými s osami kol.
Přesnost odometrie – jak se tato metoda nazývá – typicky dosahuje desetin procent z ujeté vzdálenosti. Metoda klade značné nároky na konstrukci podvozku robota – kola robotu nesmí podkluzovat ani odskakovat od povrchu cesty. Významnou nevýhodou je fakt, že chyba měření pozice narůstá s ujetou vzdáleností, což je způsobeno zejména chybami měření při otáčení robotu.
Nepřesnost pouhých pěti stupňů při zatočení způsobí po ujetí deseti metrů téměř metrovou chybu polohy.  Přesnost určení směru lze sice zlepšit použitím kompasu, ale chyby vznikající během jízdy se kumulují a přesnost odhadu pozice se postupně zhoršuje. Při precizní kalibraci kompasu a odometrických senzorů lze bezchybně ujet i několik stovek metrů, což bylo demonstrováno na RoboTouru 2008.
Metoda vyžaduje znalost počáteční pozice robotu a tak ji v tomto ročníku nebylo možné použít samostatně. Inteligentní robot svou pozici nemusí znát přesně a cesty, křižovatky a překážky rozeznává na základě dat se svých senzorů.
Většina týmů používala pro rozpoznávání cesty laserové dálkoměry, digitální kamery nebo jejich kombinaci. Výhodou laserových dálkoměrů je jejich spolehlivost, přesnost, nezávislost měření na okolním osvětlení a jednoduchá interpretace snímaných dat.
Typický laserový dálkoměr měří vzdálenosti jen v jedné rovině a robot tak vnímá jen malou část okolního prostředí. Dokonalejší přehled o cestě před robotem je možné získat pomocí barevné kamery. Rozpoznávat cestu v obrazu z kamery však není jednoduché – a to nejen kvůli tomu, že se jednotlivé chodníky se od sebe liší v barvě a textuře.
V chodnících jsou trhliny ze kterých vyrůstá vegetace, jejich okraje bývají neostré a šířka proměnlivá.
Úlohu dále komplikují kaluže, spadané listí, nečistoty, stíny od okolních stromů, rozmazání obrazu způsobené pohybem robotu, nestálé osvětlení a diváci vstupující do cesty.
Navíc týmy, které se s výše uvedenými problémy vypořádají a zvládnou jízdu po cestě podle dat z kamery narazí na mnohem obtížnější problém – a tím je spolehlivé rozpoznávání křižovatek. Zorné pole a rozlišení běžných kamer je totiž nedostačující k tomu, aby robot z jediného obrazu získal celkový přehled o křižovatce a správně se rozhodl, kudy křižovatku opustí. Některé křižovatky jsou tak rozlehlé, že robot rozpoznávající cestu se na nich může zorientovat jen velmi obtížně.

Většina týmů založila svůj navigační systém na kombinaci výše uvedených metod. Tým LEE z Gerstnerovy laboratoře při ČVUT v Praze vyvinul metodu založenou na kombinaci dat z odometrie, GPS, kompasu a barevné kamery. Na rozdíl od ostatních, tým LEE barevnou kameru nepoužívá k detekci chodníků a křižovatek. Místo toho robot rozpoznává význačné objekty [3] ve svém okolí, které využívá k vytváření znalosti o projížděném prostředí.

Při soutěži se robot orientuje tak, že porovnává pozici nově rozpoznaných a již zapamatovaných objektů. Vyvinutá metoda je spolehlivá a přesná, robotu stačí rozpoznat jen zlomek známého prostředí k tomu, aby určil svou polohu s přesností na desetiny metru. Použitý algoritmus rozpoznávání objektů je univerzální a robotu tak příliš nezáleží na tom v jakém prostředí se pohybuje. Princip lokalizačního algoritmu umožňuje reprezentovat znalost rozlehlých prostředí při zachování odezvy navigačního systému v reálném čase. Před vlastní soutěží robot projel v parku Lužánky více jak deset kilometrů cest a detekoval desítky milionů objektů. Takto získaná znalost robotu umožnila úspěšně absolvovat soutěž.

Při soutěži

Výsledky a význam

V soutěži zvítězil tým LEE reprezentující skupinu Inteligentní a Mobilní Robotiky katedry kybernetiky ČVUT, který se soutěže zúčastnil již počtvrté a obhájil první místo z minulého ročníku. Tým LEE dosáhl 218 bodů, tým RoboAuto Fakulty informačních technologií VUT se se 168 body umístil na druhém místě a místo třetí obsadil tým Radioklubu Písek s 56 body.
Pro vysokoškolské týmy je důvodem k účasti nejen prezentace školy, ale především ověření funkčnosti a srovnání navržených navigačních metod nezávislými rozhodčími. Neméně důležitým výsledkem jsou data získaná během mapování a vlastní soutěže, která jsou využívána pro ověřování algoritmů mobilní robotiky pracovišti po celém světě. Více informací lze nalézt na webových stránkách organizátora soutěže [4] a na webu skupiny Inteligentní a Mobilní Robotiky [5].

Reference
 [1] Morales, Y. et al.: Autonomous robot navigation in outdoor cluttered pedestrian walkways. J. Field Robot. 26, 8 (Aug. 2009), 609-635
 [2] http://robotika.cz/competitions/robotour2007/proceedings/en
 [3] http://en.wikipedia.org/wiki/SURF
 [4] http://www.robotika.cz/
 [5] http://imr.felk.cvut.cz/

Zkrácená verze tohoto článku vyšla v časopisu Tecnicall 4/2009.
 

autor Tomáš Krajník, Vojtěch Vonásek, Jan Faigl