SANDO: безопасный маршрут дрона среди движущихся препятствий

Команда Массачусетского технологического института (MIT) представила планировщик траектории SANDO, который ведёт беспилотник через незнакомое пространство, где препятствия двигаются непредсказуемо. Работа опубликована в IEEE Transactions on Robotics, о ней 7 октября сообщило издание MIT News. Название расшифровывается как «безопасное автономное планирование траектории для динамичных неизвестных сред».

Авторы заявляют, что доказали математически: алгоритм всегда строит маршрут, гарантированно исключающий столкновения с движущимися препятствиями в среде, карты которой у дрона нет. Ведущий автор, Кота Кондо, недавно защитивший докторскую по аэронавтике и астронавтике в MIT, формулирует это так: «В самой сложной из возможных сред, где у беспилотника нет карты местности и вокруг движутся неизвестные препятствия, мы установили математическую гарантию безопасности. Планировщику нужно знать только максимальную скорость, которую могут развить препятствия».

Как устроен коридор

Обычные планировщики либо рассчитаны на неподвижные препятствия, либо обходят движущиеся без формальной гарантии. SANDO сначала прокладывает через пространство коридор безопасности: цепочку связанных областей, в которых заведомо нет препятствий. Отличие в том, что коридор учитывает время. Отдельный модуль находит динамические объекты, объединяет их в группы и следит за ними, оценивая, куда они сместятся.

Точного будущего положения объекта система не знает. Вместо этого она берёт его максимальную скорость и считает, на какое расстояние он способен уйти за заданный промежуток. Вокруг объекта строится сфера, охватывающая эту предельную дальность во все стороны, и коридор прокладывается уже с учётом сфер. «В реальном мире препятствия движутся, поэтому коридор, построенный в один момент, теряет смысл, когда что-то в него въезжает. Но поскольку мы учитываем время, мы можем гарантировать безопасность и в будущем», — говорит Кондо.

Дальше в дело вступает планировщик на основе тепловой карты: он отмечает «горячие» зоны, где препятствий много, и уводит аппарат от них. Внутри готового коридора траектория оптимизируется по времени, чтобы долететь до цели быстрее. По ходу движения коридор и траектория пересчитываются на бортовом компьютере.

Представим склад, где по проходам ездят погрузчики, а дрон несёт деталь из одного конца в другой. Карты маршрутов погрузчиков у него нет, но известна их максимальная скорость. Тогда вокруг каждого погрузчика мысленно очерчивается сфера того, куда он успеет доехать за секунду, и маршрут дрона строится в стороне от этих сфер. Пример условный: он показывает логику расчёта, а не проведённый опыт.

В симуляциях SANDO достигал цели быстрее нескольких современных систем и ни разу не столкнулся с препятствием. В 12 испытательных полётах реального беспилотника система обошла все динамические препятствия, используя только бортовой компьютер и сенсоры. Независимый комментарий дал Фэй Гао, доцент Чжэцзянского университета, не участвовавший в работе: по его словам, SANDO решает задачу меняющихся во времени безопасных коридоров и жёстких ограничений при оптимизации траектории, что позволяет часто пересчитывать маршрут на борту.

Ограничения стоит держать в уме. Доступен только пресс-релиз MIT News, а не сама статья в IEEE Transactions on Robotics, поэтому математическое доказательство и параметры экспериментов по первоисточнику не проверены. Не указано, какие именно препятствия участвовали в полётах, с какими скоростями и на какой площадке; не раскрыто, как на практике измеряли максимальную скорость объектов и что происходит, если она окажется выше. Сравнение с другими системами описано словами «быстрее нескольких современных систем» без чисел. Авторы называют и возможное развитие: сделать SANDO экономичнее по вычислениям и связать его с моделями машинного обучения, чтобы человек мог ставить задачу обычной фразой. Для тех, кто разбирает такие работы по шагам, пригодится разбор научной статьи с проверкой метода и выводов.