Kucsera Péter Zrínyi Miklós Nemzetvédelmi Egyetem Katonai Műszaki Doktori Iskola, doktorandusz hallgató AUTONÓM MOBIL SZÁRAZFÖLDI ROBOTOK HELYZETE ÉS ALKALMAZÁSI LEHETŐSÉGEI A 21. SZÁZADBAN Hazánkban, napjainkban autonóm működésű robotok fejlesztéséről, alkalmazásáról beszélni első hallásra futurisztikusnak tűnhet. Azonban ha a robot szó alatt első megközelítésben egy olyan berendezést értünk, amely programjai, algoritmusai segítségével, emberi beavatkozás nélkül egy adott feladatban nyújt segítséget, már szép számmal találhatunk alkalmazásokat akár saját mindennapi életünkben is. Az új Citroen C5 felső-középkategóriás személygépkocsija már rendelkezik olyan véletlen sávelhagyásra figyelmeztető rendszerrel, amely akkor szólal meg, ha a sofőr irányjelzés nélkül elhagyja autójával a kijelölt ívet. A berendezés infraérzékelők segítségével működik, az útburkolati jeleket pásztázza. A biztos hatás kedvéért a rendszer a sávelhagyás irányának megfelelő üléspárnát is rezegteti. Az ilyen fedélzeti berendezések fejlesztése vezethet majd az autópályán GPS navigációs rendszerrel önállóan közlekedő gépjárművekhez, amelyek már autonóm működésű mobil robotoknak tekinthetők. A szárazföldi robotokat alkalmazási területük szerint két fő csoportba sorolhatjuk: katonai alkalmazású robotok; polgári alkalmazású robotok. Ember nélküli szárazföldi mobil robotok, UGV 1 -k katonai alkalmazása olyan környezetben különösen indokolt, amely ember számára valamilyen okból nem megközelíthető (például: harci gázzal vagy nukleáris sugárzással szennyezett), vagy nagyon kockázatosan megközelíthető, elaknásított vagy erősen őrzött terület. Nem háborús katonai békefenntartó, terrorellenes műveletekben UGV-k alkalmazásával az emberáldozatok száma szintén jelentősen lecsökkenthető. A szárazföldi mobil robotok polgári alkalmazásai is egyre elterjedtebbek és elfogadottabbak a világon. Kis méretű robotok alkalmazhatók a katasztrófa-elhárításban, túlélők keresésére összedőlt épületekben, robbanóanyagok hatástalanításában. UGV-ket használnak az űrkutatásban égitestek felszínének föltérképezésében-, régészetben például a piramisok ismeretlen kamráiba történő bejutásra és még sok speciális, ember által nem megközelíthető hely feltérképezésére. Egyre fontosabb szerepet játszanak a mezőgazdaság, az ipar egyes területein (pl. növényvédő szer kipermetezése UGV vel); és nem szabad megfeledkezni az emberek mindennapi életébe belopakodó háztartási autonóm mobil háztartási gépekről (porszívók, fűnyírók). A szárazföldi robotok méretük szerint öt fő csoportba sorolhatók [1]: Makró robotok (normál méretű robotok): sok esetben egy már emberi irányítással kifejlesztett közlekedési eszköz, vagy harci jármű beavatkozókkal, szenzorokkal, döntéshozó számítógépekkel történő kiegészítése. 1 UGV - Unmanned Ground Vehicles ember nélküli földi jármű.
midi robotok (kis méretű robotok): méteres nagyságrenden belüli méretekkel rendelkeznek; mini robotok: tíz centiméteres nagyságrendbe eső kiterjedéssel bírnak; mikró robotok: csupán néhány centiméteres kiterjedésűek; nano robotok: szabad szemmel nem látható robotikai alkalmazások. Az autonóm szárazföldi robotok leggyakrabban a makró és midi robotok csoportjába tartoznak, mivel a robot nem csupán a teleoperációhoz 2 szükséges vevőberendezést, az energiaellátást biztosító akkumulátort és a működtető mechanikát tartalmazza, hanem a döntéshozó számítógépet és a szenzorrendszert is. Szárazföldi autonóm működésű robotok konkrét típusai, alkalmazási lehetőségük Az Amerikai Egyesült Államokban több laboratórium foglakozik flexibilisen alkalmazható UGV-k fejlesztésével. Az irobot PackBot 3 robotcsaládja ipari és katonai alkalmazásokra kifejlesztett általános célú robot (1.ábra), melynek katonai változata több sikeres bevetésen vett rész az afganisztáni és iraki háborúban. A PackBot Scout (1. ábra) egy robotcsalád alapplatformjának tekinthető. Fedélzetén elhelyezett színes, fekete-fehér és infravörös kamerái segítségével alkalmas valós idejű kép továbbítására. 1. ábra: PackBot Teleszkópos karra rögzített fedélzeti kamerával felszerelve szintén valós idejű kép továbbítására alkalmas a PackBot Explorer, 4 amely a kamera kiemelésére, 360 fokos elforgatására is képes. A kiemelhető fejben a kamera mellett helyet kapott egy audió szenzor és egy lézer megvilágító, valamint egy hátsó színes kamera. A PackBot megfelelő aktuátorokkal, 5 manipulátorokkal, szenzorokkal felszerelve tűzszerészeti és robbanóanyag semlegesítési funkciók ellátására is alkalmazható. A PackBot EOD 6 három tagból álló teleszkópos karral van felszerelve, melynek végén az emberi kéz szorító- és 2 A teleoperáció valamely telekommunikációs eszközzel megvalósított távvezérlést, távbeavatkozást jelent. 3 http://www.irobot.com/home.cfm 4 Explorer: felderítő 5 Az aktuátor olyan beavatkozó szerv, amely az elektromos jelet mechanikai mozgássá alakítja. Ilyen eszköz lehet egy villanymotor vagy egy szervórendszer. 6 EOD - Explosive Ordnance Disposal robbanóanyag hatástalanítás azaz tűzszerészet.
tartófunkcióit ellátó karom helyezkedik el. A kar 2 méteres hosszúságúra nyújtható, így ember által nem megközelíthető helyeket is képes elérni. A PackBot család minden tagjának kis mérete és súlya lehetővé teszi a hátizsákos vagy kézi hordozhatóságot. A fejlettebb mobilitás érdekében a hagyományos lánctalpas struktúrát kiegészítették egy, a robot frontoldalán lévő állítható szögű segéd- vagy kapaszkodó lánctalppal, így a kis méret adta mobilitási problémák javíthatók. Az 1. táblázat a PackBot Explorer néhány technikai paraméterét tartalmazza. [2] 1. táblázat: PackBot Explorer paraméterei. Meghajtás: Maximális sebesség: Hatótávolság: Irányítási mód: Súly: Hossz: Szélesség: Magasság: Elektromos 13 km/h 366 m Vezeték nélküli távirányítás (RF) 18 kg 69 cm 41 cm 18 cm A kis méretű UGV-k képesek bejutni üregekbe, szűk helyekre, de geometriai méreteikből adódóan nem képesek nagyobb akadályok áthidalására. A szabadsági fok növelésével azonban a robot geometriai méretei flexibilisebben konfigurálhatók, így a terepjáró tulajdonságok jelentősen javíthatók. Ilyen megoldások keresésével foglakozik többek közt a SPAWAR System Center San Diego. Az általuk kifejlesztett robot (NUGV 7 Novel Unmanned Ground Vehicle) egy központi testből (center pod) és a test két végén tetszőleges szögben elforgatható két lánctalpból áll, így a szabadsági fok hatra növelhető (2. ábra). A robot hossza 47 cm, szélessége 42 cm, magassága 22 cm, így kihajtott lánctalpállásban közel 130 cm-es hossz érhető el. A tápellátásról 18 darab 3.7 Voltos Li-ion 8 akkumulátor gondoskodik, melyekből hat a központi testben, hat-hat pedig a lánctalpakban helyezkedik el. A motorok mindegyike alkalmas az UGV teljes súlyának mozgatására, így az elakadás esélye jelentősen csökkenthető. 2. ábra: Novel Unmanned Ground Vehicle 7 http://www.spawar.navy.mil/robots/land/nugv/nugv.html 8 A Li-ion akkumulátor cellafeszültsége töltött állapotban mintegy 4V (szemben az Ni-Cd akkumlátorok 1.2V-os cellafszültségével), így a kívánt feszültség kevesebb cella összekötésével nyerhető. Az akkumulátor kis súlyú, alkalmazása egyszerű, karbantartást nem igényel. Hátránya a viszonylag magas ár és a speciális töltésigény.
Az NUGV központi testének geometriájából adódóan a robot nem tesz különbséget föld felőli alsó és felső oldal között, így a felborulás, elakadás veszélyét lecsökkentették. Az NUGV kísérleti célú robotot az energiaforrások kapacitása nem teszi lehetővé küldetések végrehajtására. Hasonló innovatív mechanikai kiképzéssel kívánják a mobilitást növelni az Autonomus Solutions Inc. (ASI) mérnökei a Chaos 9 fantázianevű robotnál. A robot a PackBot-hoz hasonlóan általános felhasználást tesz lehetővé. Az ajánlásban szélsőséges terepi viszonyokhoz (sivatag, hó, barlangi terep) alkalmazkodó felderítő robotként mutatják be a Chaost (3.ábra). A robot a PackBot Explorerhez hasonló méretekkel bír, és szintén a kamera-kiemeléses technikát alkalmazza. 3. ábra: Autonomus Solutions Inc. Chaos A földi robotrendszerek fontos elemét képezi a távvezérlő és a valós idejű kép fogadó egység, az OCU 10. A 4. ábrán az ASI többcélú control modulja látható 11. Az eszköz érintőképernyős kijelzővel rendelkezik melyen megjeleníthető az UGV-ről érkező valós idejű kép, valamint lehetőségünk van a megfelelő parancsok kiadására is. A teleoperáció az OCU két oldalán található botkormányokkal valósítható meg. A rendszerbe ágyazott számítógépen Tablet Windows XP operációs rendszer fut. A költségek csökkentésére az ASI egységesített irányító modult fejlesztett ki minden forgalmazott UGVjéhez. 4. ábra: Autonomus Solutions Inc. OCU 9 http://www.autonomoussolutions.com/products/chaos/index.html 10 OCU Operator Control Unit Kezelő vezérlő egység. 11 http://www.autonomoussolutions.com/products/ocu/index.html
A PackBot, az NUGV és a Chaos csak néhány kiragadott termék a piacon található kis méretű, általános alkalmazhatóságú robotok közül. Innovatív megoldásokkal, a szabadsági fok növelésével, a legmagasabb szintű miniatürizálással e kis méretű robotok bámulatos akadály-áthidalási és hasznos teherhordási tulajdonságokkal rendelkeznek. Hatékonyan alkalmazhatók a katonai felderítésben, katasztrófa elhárításban, a terrorizmus elleni harcban, vagy különböző megfigyelési feladatok elvégzésében. Az Autonomus Solution Inc. speciálisan gépjárművek alvázára szerelt robbanóanyagok felderítésére kínál megoldást Spector 12 nevű termékével (5. ábra). 5. ábra: Autonomus Solutions Inc. Spector A Spector 11 cm magas és 40 cm átmérőjű, súlya 2.5 kg. Maximális sebessége 0.7 m/sec. Rendelkezik egy 10 cm x 11 cm x 6.5 cm-es hasznos teher elhelyezésére alkalmas rekesszel, amelyben a szériatartozék megfigyelő-kamerán kívül egyéb szenzorok is elhelyezhetők. Az UGV-k következő nagy csoportja a hagyományos gépjárműplatformokra épülő, de gépi látással, digitális szenzorokkal, elektromechanikus beavatkozókkal felszerelt robotok. Ezen eszközök fejlesztési költségei alacsonyabbak, mivel hordozó platformnak alkalmazható valamely kereskedelemben kapható gépjárműtípus. A már említett Autonomus Solutions Inc. tevékenységi körébe tartozik bármely, a kereskedelemben kapható gépjárműtípus ember nélküli gyakorló célpontnak UTV 13 -nek való átalakítása. Az UTV saját navigációs rendszerrel rendelkező autonóm robot, amely egy előre beprogramozott útvonalat jár be, célpontként szolgálva más hadászati eszköz tesztelésére. 12 http://www.autonomoussolutions.com/products/spector/index.html 13 UTV- Unmanned Target Vehicle - Ember nélküli célpont jármű
6. ábra: Autonomus Solutions Inc. UTV A Jaguár 14 fantázianevű, Bobcat Toolcat 5600 alapokra épülő robot szintén az ASI által kifejlesztett UGV. A computerrel vezérelt hajtás-, kormány- és fékrendszeren kívül fedélzeti felszerelésként tartalmaz valós idejű képtovábbító rendszert, GPS navigációs rendszert, 2D/3D lézer szkennert 15 és radart. Az UGV tömege 2157 kg, hossza 3.8 m szélessége 1.5 m, magassága 2.1 m. A meghajtás 46 lóerős dízel motorral történik, az üzemanyag tartály mérete 39.7 liter. A Jaguár utazó sebessége 16 km/h, maximális sebessége 29 km/h. A 7. ábrán egy cone penetrométerrel 16 felszerelt Jaguár látható, melyet geológiai mérésekhez használnak. 7. ábra: Autonomus Solutions Inc. Jaguar A technológia fejlődésével új, korszerű eszközök törnek be a személyszállítás piacára is. A néhány éve piacra dobott és már hazánkban is egyre többször látható Segway Human Transporter (HT) remek alapplatformként szolgálhat UGV-k fejlesztéséhez is. A Segway RMP 17 (Robotic Mobility Platform) a Segway HT alapjaira épült olcsó, remek terepjáró tulajdonságú, nagy teherbírású hordozó. Kedvező tulajdonságai közül csak néhányat kiemelve: maximális sebessége 13km/h, kültéri és beltéri használata egyaránt lehetséges, hasznos teherbírása megközelítőleg 100 kg, képes az egyhelyben történő 14 http://www.autonomoussolutions.com/products/jaguar/index.html 15 A lézer scanner, egy lézer forrásból és egy tőle adott távolságban elhelyezkedő szenzorból (CCD kamerából) áll. Amennyiben az adott vektoron kibocsátott a lézersugár valamiről visszaverődik, ezt a kamera detektálja és egy vektorrá képezi le. A mért vektorokból a távolság háromszög módszerrel számítható. 16 Talajvizsgálati eszköz, amely a mélység függvényében méri és rögzíti egy szondacsúcs ellenállását, köpenysúrlódását és talajrétegben érvényes pórusvíznyomását. 17 http://www.spawar.navy.mil/robots/land/segwayrmp/segwayrmp.html
megfordulásra, egy feltöltéssel képes 15 km-es út megtételére, szabványos CAN 18 rendelkezik, így egyszerű csatlakozó felületet biztosít robotikai fejlesztésekhez (8.ábra). interfésszel Az eddig említett UGV-k leginkább a hadi és katasztrófa-elhárítási, kutatási területeken alkalmazhatók. Nem szabad azonban megfeledkeznünk egyéb olyan polgári alkalmazásokról sem, ahol az UGV-k hathatós segítséget nyújthatnak. Ismét az Autonomus Solutions Inc. egy termékét véve alapul, a Predator 19 fantázianévre hallgató UGV egy mezőgazdasági alkalmazását láthatjuk a 9. ábrán. A Predator GPS navigációs és képfeldolgozó rendszerével képes egy adott terület legoptimálisabb bejárására és a kipermetezni kívánt vegyszer egyenletes eloszlásban történő kijuttatására. A Predator fedélzeti elektronikáját ütközésdetektorok, szonár és lézeres akadályfelismerők, fejlett autonóm működést biztosító fedélzeti elektronikai rendszerek képezik. 8. ábra: Segway RPM 9. ábra: ASI Predator 18 Controller Area Network RS485-ös soros fizikai rétegen alapuló ipari buszrenszer. Elterjedten alkalmazott az automatizálás és a gépjárműipar több területén. 19 http://www.autonomoussolutions.com/research/projects/predator.html
Egy másik tipikusan civil alkalmazás az irobot Roomba 20 robotcsaládját. Az eddigi alkalmazásokkal szemben itt a háziasszonyok életének megkönnyítése a cél, mivel ez a robot a porszívózás megterhelő feladatát teljesíti. Az eszköz árában csak kis mértékben haladja meg egy hagyományos jobb minőségű porszívóét, de használatával, bár nem is gondolnánk, UGV-ket csempészünk a köznapi életbe, ezzel közelebb hozva a robotika világát a mindennapi emberhez. A Boomba előre programozható időszakokban folyamatosan járja be a tisztítani kívánt területet. Lehetőségünk van a bejárás algoritmusának megválasztására, valamint virtuális falak kihelyezésére. A virtuális fal egy adóberendezés, amely egy olyan vonalat jelöl ki a robot számára, amelyen nem szabad áthaladnia, azaz az adó által kijelölt vonal egy falként jelentkezik a robot útvonalában. Amennyiben a robot telepei lemerülés közeli állapotba kerülnek, a robot automatikusan egy dokkolóba megy és feltölti azokat. 10. ábra: irobot Roomba Ha azt gondolnánk, csupán egy cég foglalkozik robot porszívók gyártásával, akkor nagyot tévedünk. Az összes nagyobb háztartásieszköz-gyártó vállalat rendelkezik hasonló termékekkel és nem a takarítás az egyetlen funkció, amit autonóm robotokra lehet bízni. 11. ábra: Electrolux Automower A 11. ábrán az Electrolux Automower autonóm fűnyíróját láthatjuk. Ez a fűnyíró ütközésdetektálás hatására változtat irányt, de létezik olyan termék is, amely érzékeli a gyeptől eltérő összetételű növényzetet és ebben nem tesz kárt, így sértetlenül hagyja a virágoskertet és az egyéb dísznövényeket. 20 http://www.irobot.com/
A legkülönlegesebb és kihívásokban leggazdagabb UGV alkalmazási terület az űrkutatás. Mindnyájan figyelemmel kísértük a Mars expedíció mozzanatait, csodáltuk a marsjárók ötletes konstrukcióját. A kutatók a marsjárókat azaz a Mars Exploration Rover-eket speciálisan a vörös bolygó sajátos környezeti viszonyaihoz alakították ki (12. ábra). A fejlesztés során fontos szempont volt, hogy a legmodernebb technológiával készülő érzékeny műszerek nagy biztonsággal működhessenek, függetlenül az extrém körülményektől. A mars-járók fedélzeti computerrel és önálló navigációs rendszerrel, valamint fedélzeti szenzorokkal rendelkeznek, ezek autonóm működést biztosítanak. Mivel a földi irányító központ nem képes napi 24 órás kommunikációs kapcsolatot fenntartani a mars-járóval, így annak alkalmasnak kell lennie bizonyos döntések, manőverek önálló meghozására. A robot fedélzeti rendszerei átkonfigurálhatók, így egyes egységek esetleges meghibásodása esetén, azok kiiktathatók és a feladathoz más erőforrások rendelhetők. Az energiaellátást napelemek és az ezekkel tölthető telepek biztosítják. 12. ábra: Mars Exploration Rover ÖSSZEFOGLALÁS KÖVETKEZTETÉSEK Ember nélküli autonóm robotok eredményesen alkalmazhatók a polgári élet sok területén. A bemutatott Spector, amely a gépjárművek alvázára rögzített robbanóanyagokat deríti fel, kis mérete, praktikus kialakítása folytán részét képezheti rendészeti alakulatok alapfelszerelésének. A PackBot EOD csak egy kiragadott példa a sikerrel alkalmazott robbanóanyag hatástalanító mobil robotok közül. A robbanóanyag hatástalanítása mobil robotok segítségével olyan környezetben is lehetséges, amely ember által egyáltalán nem megközelíthető (például: szűk barlangrendszerek, sugárzással, vegyi anyagokkal szennyezett területek). A Predator a mezőgazdaságban, a permetező anyag egyenletes kijuttatásában nyújt hathatós segítséget. Egy mezőgazdasági termőterület megfelelő permetezése nem egyszerű feladat. Túlzott permetszer kijuttatása a költségek növekedéséhez, egyes területek kihagyása pedig fertőzési gócok kialakulásához vezethet. Ember nélküli mobil robotok alkalmazásával ez a feladat sikerrel megoldható. Az emberek mindennapi életében nyújtanak segítséget különböző porszívózó, padlótisztító, fűnyíró mobil robotok. A bemutatott Roomba előre programozott időszakokban a lakás porszívózását végzi. Az eszköz teljesen önállóan működik, kikerüli az akadályokat, a legszűkebb helyekre is beférkőzik. Az akkumulátor lemerülése előtt automatikusan a feltöltő állomásra csatlakozik, majd feltöltés után folytatja a munkát. Polgári életben sikerrel alkalmaznak még mobil bobotokat régészetben, barlangok, sírkamrák, egyéb szűk helyek feltérképezésére is.
Ember nélküli katonai célú mobil robotok több sikeres bevetésben vettek részt az afganisztáni és iraki háborúban. Hathatós segítséget nyújtanak ellenséges területek felderítésében, mind sivatagi, mind városi körülmények között. A PackBot robotcsalád lánctalpkiképzésének köszönhetően rendkívül jó terepjáró tulajdonságokkal bír, így alkalmas épületek belső tereinek feltérképezésére, lépcsőn való feljutásra. UGV-k alkalmazásával a katonák olyan képi, hang, esetleg vegyi elemzésekhez juthatnak, amelyek megszerzése csak jelentős emberáldozatok árán volna lehetséges. Az ember nélküli mobil robotok fejlesztése során a méret csökkentése és a hatótávolság és mobilitás növelése a három legfontosabb cél. A méret csökkentésének a miniatürizálás és az akkumulátorok teljesítménye szab határt. Jobb energiatároló eszközök kifejlesztése, valamely megújuló energiaforrás használata a hatótávolság növekedéséhez, a méret esetleges csökkenéséhez vezethet. A hatótávolságot befolyásoló tényező még a kommunikációs kapcsolat minősége. Robotcsapatok alkalmazásával, a csapat egyes elemeihez relé funkciót rendelve, a kapcsolat sugara növelhető. A mobilitás növelése az élővilágból vett ötletek segítségével napról napra javul. Fejlesztő laboratóriumokban már léteznek lépegető a pókok mozgását modellező robotok, valamint emberi mozgást modellező kétlábú lépegetők is. A mobil robotok fejlesztése igen költséges vállalkozás, melynek megtérülésében sokak kételkednek, amennyiben azonban a robot emberéleteket ment, ilyen eszközök alkalmazása mindenképpen indokolt. A mobil robotok fejlesztésével az előállítási költségek csökkenthetők, így a közel jövőben már remélhetőleg bizonyos területekre költséghatékonysági szempontból is érdemes lesz UGV-ket alkalmazni. Például egy nagy kiterjedésű katonai, vagy ipari terület őrzése több emberből álló 24 órás ügyeletet igényel. Egy ilyen szolgáltatás évi költségét kikalkulálva már elképzelhető, hogy néhány éves megtérüléssel kifejleszthető lenne egy mobil robotokból álló területőrző rendszer. FELHASZNÁLT IRODALOM [1] Dr Várhegyi István: Robotok és az információs hadviselés. Hadtudományi Tájékoztató 2001/7. sz., II. rész, Budapest, 2001. [2] Gácser Zoltán mk. Őrnagy: Szárazföldi robotok. Robothadviselés 4. Nemzetközi tudományos konferencia kiadványa 61.oldal, Budapest, 2005 [3] Dr. Ványa László: Excepts from the history of unmanned ground vheicles development int he USA. AARMS 2003/2. ZMNE, Budapest, 2003. [4] http://www.autonomoussolutions.com - 2005.10.12 [5] http://www.spawar.navy.mil/robots/land/nugv/nugv.html - 2005.10.12 [6] http://www.spawar.navy.mil/robots/land/segwayrmp/segwayrmp.html - 2005.10.12 [7] http://www.automower.com/ - 2005.10.12 [8] http://ranier.oact.hq.nasa.gov/telerobotics_page/telerobotics.shtm - 2005.10.12 [9] http://www.irobot.com/home.cfm - 2005.10.12