Текст книги "Автономия. Как появился автомобиль без водителя и что это значит для нашего будущего"

Автор книги: Лоуренс Бернс

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 4 страниц)

Чтобы обеспечить Humvee автопилотом, Red Team, можно сказать, прибегла к обратному инжинирингу органов чувств, которые использует человек, когда ведет машину. Например, автомобилю нужны были глаза, чтобы видеть, – и группа поставила на него лидары[17]17
  Лидар (от англ. Light Identification and Ranging) представляет собой технологию получения информации об удаленных объектах по отражению и рассеянию луча света, чаще всего лазера. – Прим. перев.


[Закрыть] особого типа. Задачей лидара было измерять время, через которое луч света отразится от препятствия и вернется к приемнику. Повторяя эту операцию несколько раз в секунду, лидар мог построить очень приблизительную картину мира вокруг автомобиля.

Основной лидар позволял роботу замечать препятствие в 23 м от себя. Вспомогательные устройства сканировали пространство в радиусе 7 м от переднего среза корпуса машины. Стереокамера – еще один способ видеть окружающий мир. Эта специальная система обрабатывала стереоизображения, поступающие с двух камер. Однако и камеры, и лидар могли подвести, если требовалось «видеть» через обычное для пустынных дорог облако пыли. Чтобы дать машине органы чувств, которые не спасуют перед пылевым облаком, Red Team приобрела акустический радар.

Следующей задачей было непосредственно управление. Поставить ногу, чтобы та нажимала на педаль газа, или руку, чтобы крутить руль, было невозможно, поэтому их место заняли приводы. По существу, это были просто электромоторы: толкающие, крутящие и нажимающие, чтобы таким образом заставить автомобиль ускоряться, тормозить или поворачивать направо или налево.

В центре всей системы находился набор компьютеров, который можно было назвать мозгом робота. Один из них, предоставленный корпорацией Intel, представлял собой сервер на четырехъядерном процессоре Itanium 2 с 3 Гб оперативной памяти. Часть компьютеров была предназначена для того, чтобы комбинировать информацию с лидара, системы стереовидения и радара и таким образом строить картину мира вокруг машины. Другой компьютер использовал данные GPS и отслеживал движение, определяя координаты с точностью до метра. Получив изображение местности и местоположение, компьютеры должны были ответить всего на два вопроса – те самые, которые человек за рулем задает себе тысячи раз: во-первых, с какой скоростью двигаться; во-вторых, куда поворачивать руль?

Уиттакер отводил на сборку робота и написание программного обеспечения сто дней. Дедлайн пришелся на ноябрь, День благодарения приближался, а значительная часть машины еще не была завершена. Например, компьютеры не были соединены между собой, и даже датчики отсутствовали. Однако у робота уже было имя: Sandstorm, Песчаная буря, по имени облаков пыли, которые тот должен был поднять в пустыне Мохаве.

Пустыня беспокоила как Уиттакера, так и Урмсона. Разумеется, предметом их беспокойства было бездорожье, но не только: ухабистые дороги тех мест могли причинить изрядный вред микропроцессорам и датчикам сами по себе. Даже если преодолевать камни и неровности на небольшой скорости, считали студенты, вибрация наверняка повредит память компьютеров. В конце концов, магнитный диск – всего лишь быстро вращающаяся металлическая пластина. Чтение и запись производятся при помощи прецизионной металлической головки, парящей над самой ее поверхностью. Сильные толчки могут заставить головку и пластину соприкоснуться, тогда поверхность пластины будет расцарапана, и накопитель придет в негодность. Та же самая тряска может заставить датчики давать ложные показания.

Поэтому Red Team потратила много времени на разработку защиты компьютеров и датчиков от рывков и толчков, неизбежных при движении Humvee через пустыню. Они решили пойти тем же путем, которым идут автопроизводители, чтобы защитить от рывков и толчков живых людей. Пружины и амортизационные стойки оберегали большой металлический контейнер, находившийся там, где раньше была крыша. Он назывался «e-box» (сокращение от «electronics box», «ящик для электроники»), весил более полутонны и вмещал в себя далеко не только жесткие диски. Там в основном находилось все «нежное» оборудование робота: компьютеры, GPS-приемник, радары и вспомогательные лидары.

Оставалось защитить основной лидар и стереокамеру. Ради этого группа провела бессчетные часы, создавая механизм на базе карданова подвеса, сложного устройства, издавна служившего морякам, чтобы сохранять неизменным положение судового компаса даже в самый сильный шторм. Red Team спроектировала и изготовила собственный подвес, смонтировав внутри него основной лидар и систему стереовидения. Снаружи их защищала сфера, по размеру чуть превышавшая школьный глобус. Небольшие моторчики внутри сферы служили Sandstorm, чтобы поворачивать лидар и камеру туда, куда робот считал нужным посмотреть. Если бортовая карта говорила, что машина сейчас входит в левый поворот, то лидар поворачивался налево, чтобы «смотреть» туда, куда она едет.

Будучи техническим директором группы, Урмсон отвечал за сборку всех этих компонентов в единую систему. Он находился в постоянном стрессе, как из-за личных обстоятельств, так и из-за положения дел в Red Team. В сентябре его жена родила первенца, мальчика. Урмсон, однако, не мог приезжать домой надолго. Он пообещал Уиттакеру, что робот самостоятельно пройдет всю длину гоночной трассы, 240 километров, к полуночи 10 декабря 2003 года, то есть за три месяца до даты соревнований.

Ради этого ему приходилось работать по шестнадцать часов в день без выходных. Как-то раз, во время бешеного рабочего марафона, он не спал сорок часов подряд. За неделю до Дня благодарения Уиттакер стал подгонять людей сильнее. По свидетельству журналиста Уэйта Гиббса, он сказал во время одной из встреч с Урмсоном и основными членами команды: «Машина еще не прошла ни фута самостоятельно, а вы обещали, что через две недели это чудо техники пройдет 150 миль. Кто считает, что от этой цели следует отказаться, поднимите руки». Молчание. Никто не поднял руки. Уиттакер улыбнулся, говорит Гиббс, и заметил в своей экспрессивной манере: «Мы вступаем в безумное и проклятое время, в течение которого нам предстоит родить машину и отправить ее в первое путешествие».

Сборка происходила в большой мастерской, расположенной в корпусе космической робототехники Университета Карнеги – Меллона. Представьте себе самую лучшую механическую мастерскую, какую вы видели в жизни, и вы получите достаточно точное представление об этом помещении. Потолок на высоте нескольких этажей, рабочие мостики и площадки на разных уровнях и даже небольшой кран для подъема тяжестей. Токарные и вертикально-сверлильные станки, ящики в верстаках, полные всевозможных инструментов, – и еще другие инструменты и приборы, занимающие каждый квадратный сантиметр горизонтальной поверхности. В подобной мастерской можно было изготовить практически что угодно, в буквальном смысле этого слова.

День благодарения и последовавшие за ним выходные Урмсон и его группа практически безвылазно просидели там. К вечеру воскресенья они соединили достаточное количество компьютеров и датчиков, чтобы Sandstorm начала понемногу оживать. Как раз примерно тогда же группа нашла место для испытаний своего чудовища Франкенштейна. Мест, куда было бы удобно добраться от Карнеги – Меллона, и в то же время подходящих для испытаний трехтонного робота, чадящего выхлопом, с аппетитом поглощающего дизельное топливо, оставляющего за собой масляный след, было немного. Особенно если при этом хочется избежать жертв среди гражданского населения. Решение нашел почтальон Мики Стратерс. Однажды он ехал через мост Хот-Метал-Бридж, направляясь в университет, и смотрел на огни, мерцающие в холодном зимнем воздухе по берегам реки Мононгахила. Они мерцали повсюду, но обширная область по правую сторону моста была темна. Мики знал, что это промышленная земля и там раньше находился последний сталелитейный завод Питтсбурга – LTV Coke Works, закрывшийся в 1998 году. С тех пор территория пустовала.

Стратерс предложил эту площадку Уиттакеру, и тому она очень понравилась, как из-за удобства, так и из-за ее промышленного прошлого. На участке площадью в 168 акров[18]18
  68 га. – Прим. перев.


[Закрыть] находилось железнодорожное депо, множество служебных построек и старое оборудование; благодаря этому она выглядела так, словно осталась со времен промышленной революции. Она как будто передавала группе дерзкий дух давно прошедших времен строительства Питтсбурга. Участком распоряжались принадлежащие состоятельным семьям фонды. Несколько телефонных звонков – и группа Уиттакера получила разрешение проводить там испытания.

Второго декабря было произведено первое из многочисленных испытаний робота на Coke Works. Заброшенная территория, наполненная ржавеющим оборудованием и пустыми банками из-под машинного масла, была подходящим фоном для угловатого Humvee. Он выглядел скорее как динозавр из юрского периода, чем как одна из самых совершенных машин, когда-либо созданных человеком. Лежал снег. Температура была минус восемь градусов по Цельсию. «Точно как в пустыне Мохаве, да?» – воскликнул, если верить журналу Wired, один из сотрудников. (Уиттакер тем временем разгуливал в рубашке, джинсах и ботинках на босу ногу.) Перед первым запуском Урмсон забрался на корпус, чтобы нажать на кнопку аварийной остановки, если машина вдруг поведет себя нештатно. Придя в движение, робот вначале дернулся в сторону обрыва, но тут же выправился и пошел по заданной траектории. После нескольких благополучных заездов, в 20:51, Урмсон решил дать Sandstorm полную свободу и посмотреть, что выйдет. Он слез с корпуса машины. До испытаний в нее был заложен маршрут овальной формы, контрольные точки которого определялись по GPS. Не смея дышать, группа наблюдала, как робот катался по заданному маршруту полчаса, пройдя в сумме шесть с половиной километров. Никаких аварий. Даже мелких происшествий. Конечно, до 240 километров было еще далеко, но теперь никто не смог бы отрицать, что группа продвигается к намеченной цели.

Прошла еще неделя, и поздним вечером 10 декабря, всего за два часа до полуночи – срока, к которому группа обещала Уиттакеру обеспечить самостоятельное прохождение машиной 240 км, – робот взбунтовался. В программном обеспечении возникали ошибки всякий раз, когда машина выполняла больше двух-трех заездов. Урмсон и его коллеги несколько дней буквально жили на Coke Works – если можно так сказать о ночевке в своей машине с работающим двигателем и включенной на максимум печкой. Несмотря на то что отладка велась круглосуточно, поведение Sandstorm оставалось непредсказуемым и временами самоубийственным: то она въезжала в телеграфный столб, то загоралась, то внезапно теряла способность ловить сигнал GPS. Машина спокойно проходила трассу круг за кругом, а затем, словно повинуясь неслышному заклинанию, без видимых причин резко меняла курс и бросалась пробивать цепное ограждение полигона, и Урмсону приходилось нажимать аварийную кнопку. А дедлайн неумолимо приближался. Когда Sandstorm освободили от очередного мотка колючей проволоки, Уиттакер, согласно рассказу Гиббса, собрал вокруг себя Урмсона и всех остальных. Разумеется, говорил он, дедлайн 10 декабря приближается. Но даже если он пройдет, мы продолжим работу завтра – и послезавтра, если потребуется. Мы будем работать до тех пор, пока Sandstorm не пройдет требуемые 240 км. «Мы сказали, что сделаем это, а мы делаем то, что говорим», – торжественно заявляет Ред на страницах Scientific American[19]19
  Журналист Уэйт Гиббс писал для Scientific American и был прикомандирован своим журналом к Red Team. – Прим. перев.


[Закрыть].

Затем начался дождь, холодная декабрьская морось, пропитывающая одежду и пробирающая холодом до костей. От дождя Sandstorm была защищена неважно. Один из приблизительно десяти членов группы, еще остававшихся на площадке, развернул накидку над компьютерным оборудованием робота. Ред отсутствовал. Гиббс пишет, что Урмсон посмотрел на своих коллег, завернувшихся в одеяла и дрожащих от холода под навесами, с которых каплями срывалась вода. Он подумал, что для сенсоров и процессоров живых людей влага тоже может быть вредна – или, возможно, вспомнил своих жену и сына. И решил отправить группу по домам.

Гиббс пишет, что на следующий день, когда группа собралась на Coke Works, Уиттакер был в бешенстве, словно «злой тренер в конце первого тайма». Он напомнил всем о тех жертвах, которые уже были принесены ради того, чтобы достичь 240-километрового рубежа. В мастерской беспорядок, робот не покрашен, содержимое веб-сайта устарело – и все это ради того, чтобы сконцентрировать усилия всех без исключения на необходимости довести Sandstorm до пригодного к гонкам состояния. Обращаясь к целой комнате людей, старавшихся не смотреть ему в глаза, Уиттакер сказал: «Вчера мы забыли, для чего здесь собрались. То, что нам пришлось пережить, – это просто генеральная репетиция гонок. Именно так и будет выглядеть 13 марта. Мы проходим курс молодого бойца; главная цель всего этого – научиться прикладывать чуть больше усилий, чем раньше. Пусть приходит март, к этому времени мы сами будем машиной». В конце речи Уиттакер спросил, кто готов работать целыми днями на протяжении четырех последующих дней, пока машина не пройдет свои 240 километров. Четырнадцать человек подняли руки, включая Урмсона.

Двумя днями позже американские солдаты поймали Саддама Хусейна, прятавшегося в какой-то крысиной норе вблизи Тикрита, и война в Ираке оккупировала новостные ленты и выпуски кабельного телевидения так плотно, как никогда раньше. Казалось, сводки каждый день сообщают о все большем числе погибших от самодельных взрывных устройств в Ираке и Афганистане. Между тем, именно эти потери Red Team и рассчитывала предотвратить, создавая свой автомобиль-робот. А потом войны, идущие в отдаленных уголках земли, подсказали Урмсону решение.

В последние годы карты стали неотъемлемой частью любого успешного проекта по робототехнике. Карты позволяют роботу определить свое местоположение гораздо точнее, чем только по данным GPS. Технология, называемая «одновременной локализацией и картографированием» (Simultaneous Localization and Mapping, SLAM), состоит в том, что робот сканирует лидаром пространство вокруг себя в поисках ориентиров. Например, вне помещений это могут быть деревья, столбы линий электропередачи, бордюры, здания. Затем, оказавшись в том же месте повторно, робот сверяется с картой и сравнивает свое новое положение относительно ориентиров со старым, вычисляя таким образом свои координаты с весьма высокой точностью. Однако применить эту технологию на Sandstorm было невозможно: DARPA держала место соревнований в секрете. И в этом заключалась главная сложность.

Как-то раз Урмсон смотрел новостной сюжет о войне на одном из кабельных каналов. Сцена была знакома всякому, кто жил после 9/11: зернистое изображение, джип быстро движется по пустынной дороге где-то в глуши. Затем откуда-то со стороны в кадре появляется ракета, попадает в автомобиль и взрывается, превратив его в облако пыли и осколков.

Видео успешного применения бомбы с лазерным наведением было снято с беспилотника, оснащенного камерой. Дроны летали над зоной конфликта, поставляя фото и видео иранской и афганской территории. Они искали в Афганистане убежища «Аль-Каиды», где мог прятаться Усама бен Ладен. В Ираке они искали лагеря сторонников свергнутого Саддама Хусейна и его партии Баас.

Если американские военные могут пользоваться дронами для получения изображений настолько отдаленных и враждебных мест, предположил Урмсон, то вскоре эти изображения должны стать общедоступными. И может случиться так, рассуждал он дальше, что эти изображения можно будет использовать, чтобы упростить роботу его задачу. Будущую трассу гонок невозможно просканировать лидаром, поскольку никто в Red Team не знает, где в точности пролегает эта трасса, зато достоверно известно, что проходит она по пустыне Мохаве – а ведь ее карты существуют, не так ли? На самом деле, подробные карты Мохаве уже была составлены такими организациями, как Геологическая служба и вооруженные силы США.

«Мы поняли, что можем обойтись без SLAM, – вспоминает Урмсон. – Ведь уже было ясно, что вскоре будет доступна глобальная база [картографических] данных… Так почему бы ею не воспользоваться?»

Если бы ребята из Red Team смогли заложить в Sandstorm точную карту местности до соревнований, можно было бы отказаться от ресурсоемких вычислений. Новый подход менял саму постановку задачи. Группа считала, что пытается построить робота, способного видеть окружающий мир так, чтобы различать дорогу и самостоятельно пройти по ней 240 км. Использование карт означало, что компьютеру можно было сообщить, где находится трасса и как проходить ее. Потенциально такой метод позволял Sandstorm двигаться куда быстрее.

Но сначала Red Team – студентам-старшекурсникам, нищим аспирантам и добровольцам – предстояло создать более подробную карту Мохаве, чем любая из существующих. Задача невероятной сложности, но студентам Реда Уиттакера было не привыкать. Часть группы получила задание достать подробные карты всей пустыни, что было относительно просто с учетом связей Уиттакера и Спенсера Спайкера среди военных. После этого они занялись прокладкой трасс через пустыню, используя полученные карты. Кроме того, два инженера – Тугрул Галатали и Джош Анхальт – должны были объехать как можно больше дорог в Мохаве на арендованном внедорожнике, при этом снимая окружающий пейзаж на установленные в окнах видеокамеры. Можно сказать, что они впервые, пусть и в зачаточном виде, реализовали ту идею, которая позже легла в основу Google Street View.

Следующим шагом следовало сравнить отснятый материал и карту и присвоить каждому участку числовое значение, которое разработчики назвали величиной потерь. Таким образом, скала или горный участок, при попытке преодолеть который Sandstorm гарантированно погибнет, получала величину потерь, равную бесконечности. Ровной дороге или сухой, плоской поверхности дна высохшего озера приписывались нулевые потери. Компьютеры Sandstorm были запрограммированы так, чтобы всегда выбирать траекторию с наименьшим значением потерь.

Как-то вечером, когда до состязаний оставалось всего несколько недель, руководство Red Team собралось на чердаке корпуса космической робототехники в Карнеги – Меллон. «Мы достигли определенного прогресса в составлении карты всевозможных путей через пустыню», – вспоминал Урмсон. Но во время этой встречи на чердаке он внезапно осознал, что работа продвигается слишком медленно. «Стало очевидно, что цели мы не достигнем», – сказал он. И действительно, потенциально возможных маршрутов оказалось слишком много. К дате гонок группа успела бы разметить только малую часть их.

Именно благодаря этому факту к Red Team пришло ее второе озарение. DARPA сообщило командам, что, как раз чтобы не дать распланировать прохождение трассы заранее, она будет сообщена командам ровно за два часа до старта, в 4:30 утра. Red Team уже умела качественно прокладывать маршрут через пустыню. А что, если сменить стратегию? Что, если не пытаться создать карту, содержащую результаты прохождения трассы для всех вообразимых траекторий, а научиться хорошо, а главное – моментально, обучать Sandstorm проходить одну-единственную трассу?

Почему, задумалась команда, вместо создания идеальной карты не сконцентрироваться на прокладке одного-единственного идеального маршрута? Такого, который они смогут спланировать за два часа между тем, как DARPA сообщит участникам примерную трассу гонок, и собственно стартом? Старый подход предполагал использование карт и прокладку маршрутов вручную, и таким образом фактически робот должен был проехать по всем дорогам пустыни площадью 50 000 км2. Новый подход предлагал сосредоточиться на единственном 240-км маршруте, который планировщикам предстояло тщательно проработать – причем за те 120 минут, которые будут у команды после того, как DARPA откроет свой секрет.

Тогда часть Red Team полностью сосредоточилась на реализации этой идеи. В привычном помещении под крышей корпуса космической робототехники около десяти человек репетировали, отрабатывая до автоматизма последовательность действий после того, как DARPA в 4:30 утра передаст командам маршрут в виде файла. Он должен был содержать около 2500 опорных точек маршрута, которые все называли «хлебными крошками»[20]20
  Аллюзия на сказку «Мальчик с пальчик». – Прим. перев.


[Закрыть], отстоящих примерно на 80 м друг от друга. Члены группы сразу же начинают действовать. Один из них тут же загружает файл в программу, содержащую величины затрат для всей территории, чтобы она выдала более точный маршрут, содержащий во много раз больше «крошек», чем файл DARPA (он же RNDF, Route Network Definition File).

Но Урмсон, Уиттакер и другие не доверяли маршруту, рассчитанному программой. Ей случалось отправлять Sandstorm прямиком через каменные гряды, в овраги и на ограждения из колючей проволоки. Поэтому группа редакторов разделяла маршрут на участки, а затем при помощи компьютеров буквально проходила каждый метр вручную в поисках ошибок. Проверенные участки затем собирались обратно в маршрут, он загружался в Sandstorm, и во время состязаний робот должен просто следовать ему.

Тем не менее к январю 2004 года, то есть всего за два месяца до гонок, Sandstorm еще не прошла самостоятельно и 80 км. В частности, Уиттакера и Урмсона беспокоили отличия между условиями, в которых испытывалась машина, от тех, в которых будут проходить соревнования. Они испытывали робота на холодных берегах реки Мононгахила, а гонки будут проходить в пустыне Мохаве. Не создаст ли смена окружающей среды трудностей для Sandstorm?

В феврале Уиттакер вывез Sandstorm в Мохаве в сопровождении основных членов группы, включая Урмсона, Петерсона и Спайкера, чтобы отшлифовать там поведение машины. (Sandstorm проделала весь путь в 16-метровом полуприцепе седельного тягача.) Завершающие приготовления должны были проходить в Автомобильном испытательном центре штата Невада, огромном участке пустыни, где производители автомобилей и самых разных их частей, от покрышек до коробок передач, испытывали свою продукцию в самых жестких пустынных условиях.