Przykłady udanych projektów – Robotyka ławicy pomaga strażakom
Strażak naraża swoje życie za każdym razem kiedy wchodzi do magazynu przemysłowego stojącego w płomieniach. Dym jest wyjątkowo toksyczny, a widoczność bardzo niska. Tlenu w butli wystarczy na około 20 minut, a zważywszy na przeszkody, prędkość poruszania się strażaka wynosi zaledwie 12 metrów na minutę. To daje maksymalny zasięg 120 metrów, podczas gdy wymiary nowoczesnego magazynu wynoszą 400 x 200 m. Członkowie drużyn strażackich z South Yorkshire Fire and Rescue w Wlk. Brytanii powiedzieli naukowcom, że magazyny przemysłowe stanowią szczególny problem. Połączenie dużej powierzchni i dymu stwarza oczywiste trudności w odnalezieniu drogi, co czasami wiąże się nawet z zagrożeniem dla życia. Wielu strażaków zginęło w pożarach magazynów. Niemal całkowite zaciemnienie spowodowane przez dym łatwo doprowadza do dezorientacji. Ryzyko zgubienia się jest wysokie. Wychodząc od tej sytuacji partnerzy dofinansowanego ze środków unijnych projektu Guardians (Grupa bezzałogowych robotów pomocniczych w nawigacji grupowej bazującej na detekcji zapachowej) zbudowali ławicę autonomicznych robotów, specjalnie zaprojektowanych do wspomagania strażników przy przeszukiwaniu dużych magazynów. Ławica w robotyce zasadza się na pionierskich badaniach i imitacji stada ptaków w locie. Projekt oparł się na tej koncepcji umożliwiając autonomicznym robotom poruszanie się w sposób uzależniony od rozkładu geometrycznego. „O ile mi wiadomo jesteśmy jednymi z pierwszych, którzy podejmują próby wykorzystania robotyki ławicy w rzeczywistym środowisku” - mówi Jacques Penders, koordynator projektu Guardians. „Chodzi o to, aby roboty współpracowały ze sobą i były w stanie funkcjonować zarówno w małych, jak i dużych grupach.” W przypadku strażaków liczy się każda sekunda i każda minuta. W Worcester, USA, sześciu strażaków straciło życie z powodu zgubienia się w sześciokondygnacyjnym magazynie. Betonowe ściany, zbrojenia i metalowe regały przerwały niezbędną komunikację. Podobne tragiczne wydarzenia miały również miejsce w Europie. Dlatego też ławica robotów opracowana w ramach projektu Guardians musi być w stanie wymieniać przydatne informacje naprowadzające między sobą oraz ratownikami w ekstremalnych warunkach. To wymagało od naukowców zaprojektowania i przetestowania interfejsów prezentujących wyłącznie najważniejsze informacje, aby pokierować strażakiem. A nadto w warunkach, które pracujące roboty są w stanie wytrzymać. Strażak najpierw będzie przesuwać się wzdłuż ściany, aby wejść do magazynu. Ściana jest jego punktem odniesienia. Jedynie w rzadkich przypadkach drużyny strażackie zapuszczają się w głąb, ponieważ dym staje się tam coraz gęstszy. „Stężenie dymu wzrasta wraz z oddalaniem się od ściany” – czytamy w literaturze projektu. Większość czujników automatycznych, takich jak kamery czy laserowe dalmierze (LRF), nie zawsze funkcjonuje optymalnie w warunkach stresowych. W magazynie mogą znajdować się metalowe regały z półkami, na których również mogą być przechowywane opakowania metalowe, takie jak puszki czy wiaderka. Złożony, metalowy krajobraz interferuje z transmisją i odbiorem sygnałów radiowych. Nadto cząstki zawarte w dymie odchylają światło laserowe. „Strażacy zwykle dysponują mapą budynku, do którego mają wejść. Kiedy wchodzą liczą kroki, aby się orientować i kontrolować swoje położenie. Roboty zasadniczo robią to samo” – mówi Penders. Pierwszy robot ustawia się przy wejściu i służy za punkt odniesienia. Pozostaje tam przez cały czas poszukiwań. Drugi robot przesuwa się wzdłuż ściany, a następnie trzeci. Trzeci robot staje się trzecim wierzchołkiem trójkąta równobocznego. Następnie wchodzą kolejne roboty, które wykorzystają trójkąty węzłów i linii komunikacyjnych między węzłami przekaźnikowymi. Roboty są w stanie komunikować się między sobą za pośrednictwem bezprzewodowej sieci. „Dym przeszkadza konwencjonalnym czujnikom wykorzystującym światło” – zauważa Penders. „Dlatego sprawdzamy możliwość wykorzystania mikrofal” – dodaje. Roboty przesuwające się dalej w głąb budynku tworzą siatkę, która służy za dwuwymiarową (2D) mapę metryczną i wykorzystują mechanizmy sieciujące do utrzymywania i poszerzania komunikacji. Jeśli robot oddzieli się i straci sygnał ławicy, to albo wróci do „predefiniowanego miejsca powrotu, czyli ostatniego znanego położenia, w którym bezprzewodowy sygnał był wystarczająco silny, albo zachowa się oportunistycznie i będzie dalej prowadzić poszukiwana, zakładając, że niebawem natknie się na członków ławicy” – jak informują partnerzy projektu Guardians. Naukowcy pracujący nad projektem chcą, aby roboty aktywnie wspierały strażaka w czasie operacji ratunkowej. Ławica musi być w stanie bezpośrednio i w spójny sposób komunikować się z ratownikiem oraz określać kierunek, w którym powinien podążać. Na swoim najbardziej podstawowym poziomie ławica będzie reagować niezależnie na ruch strażaka. Kiedy się przesunie, ławica również wykona ruch. Zważywszy na fakt, że strażacy już działają w warunkach dużego stresu psychicznego i fizycznego, ławica nie może stanowić dodatkowego obciążenia czy być źródłem niepotrzebnego rozproszenia uwagi. Musi raczej uzupełniać czynności poszukiwawcze i misję ratunkową. Z uwagi na powyższe naukowcy musieli zadbać o odpowiednie i spójne zachowanie robotów, jak również o interfejsy, które umożliwiają strażakom orientację w swoim położeniu. Większość operacji poszukiwawczo-ratunkowych z udziałem robotów jest zarządzana przez człowieka znajdującego się poza strefą zagrożenia. Unikalność projektu Guardians polega na tym, że człowiek jest w stanie współpracować z kilkoma robotami w terenie. Niemniej wymaga to innowacyjnych interfejsów, które umożliwią strażakom interakcje z ławicą bez dodatkowego wysiłku. Zważywszy na ciężkie warunki strażacy nie mogą polegać wyłącznie na wzroku i słuchu czy też na powszechnie wykorzystywanej technologii audio-wizualnej. Aby przezwyciężyć te problemy naukowcy zaprojektowali interfejs ze sprzężeniem zwrotnym – urządzenie do wizualizacji, które jest montowane w kasku strażaka. Naukowcy opracowują również interfejs dotykowy, który może być montowany na ciele strażaka. W ramach projektu Guardians zostały zaprojektowane i zbudowane dwie przyłbice świetlne. Obydwie zostały przetestowane przez South Yorkshire Fire and Rescue, co umożliwiło naukowcom skorygowanie ustawień, aby poprawić ich skuteczność. Oznaczało to jednak wielokrotne testy bazujące na próbach i błędach, ponieważ strażacy mieli na początku raczej ambiwalentny stosunek do tych urządzeń. „Połączenie robotyki ławicy z pracą człowieka było zarazem interesujące i wymagające. W dłuższej perspektywie potrzebne jest zdobycie zaufania człowieka, ponieważ sygnały mogą czasami rozpraszać” – mówi Penders. „Musimy sprawdzić, w jaki sposób strażacy mogą korzystać z tego systemu.” Przede wszystkim interfejs powinien zapewnić wizualne sprzężenie zwrotne ze strumieniem danych płynącym z ławicy. Odbywa się to za pomocą matrycy RGB LED wewnątrz przyłbicy. Jednocześnie strażak musi mieć absolutną pewność, że informacja jest prawidłowa. Jest zrozumiałe, że z powodu wiążących się z tym zagrożeń niewielu strażaków ma ochotę podejmować ryzyko oddalając się od ściany lub innego punktu orientacyjnego. Pierwsza testowana przyłbica wskazywała najbezpieczniejszy i najlepszy kierunek. W czasie testu strażacy byli proszeni o podejmowanie zwykłych czynności poszukiwawczo-ratowniczych. Musieli również wykonać kilka dodatkowych działań, w tym składać ustne raporty z postępów koordynatorowi badań oraz kolegom biorącym udział w akcji. Wyniki pokazały, że strażacy czasami ignorowali sygnał kierunkowy pojawiający się na RGB LED. Strażacy poinformowali naukowców, że dane na temat kierunku wyświetlane w przyłbicy powinny być prostsze i bardziej jednoznaczne. Druga przyłbica została zamontowana na prawdziwym kasku strażackim. Obok ekranu LED naukowcy umieścili czujnik pomiaru wewnętrznego (IMU), który wykrywa orientację strażaka, kiedy stosuje się do poleceń. Podobnie jak w pierwszym teście strażacy zostali poproszeni o wykonanie kilku czynności. Niemniej w odróżnieniu od pierwszego testu, w którym informacje na temat kierunku były stale aktualizowane, w czasie drugiego testu strażacy otrzymywali mniej poleceń. Z zewnątrz przyłbica została zakryta, zatem prowadzący strażak musiał polegać na sygnałach przyłbicy wydając polecenia nawigacyjne. Drugi strażak, również z zasłoniętymi oczyma, podążał za pierwszym zgodnie ze standardową praktyką wymaganą przez normalny protokół akcji poszukiwawczo-ratowniczej. Obaj byli przywiązani liną. Poproszono ich o policzenie, ile razy dwie lampki w różnych kolorach rozbłysły wewnątrz przyłbic. Migające lampki dodano, aby wywołać dodatkowy stres. Strażacy nadal byli w stanie stosować się do poleceń prowadzącego. Projekt położył podwaliny pod obiecujące badania naukowe, które łączą najnowszą technologię z pionierskimi technikami ławicy. Roboty zaprojektowane w ramach projektu Guardians potrafią również ostrzegać strażaków o wszelkich toksycznych substancjach chemicznych w powietrzu. Nowy system może być również wykorzystywany w przypadku innego rodzaju katastrof. Algorytmy opracowane w toku projektu Guardians umożliwiają robotom podążanie za strażakiem bez komunikowania się. Taka autonomia wraz ze zdolnością do przekazywania informacji strażakom za pośrednictwem specjalnie zaprojektowanych przyłbic wyróżnia efekt osiągnięty przez projekt Guardians. „Przeprowadziliśmy końcowy pokaz w South Yorkshire Fire and Rescue” – mówi Penders. „Strażacy potwierdzili, że roboty mogą być pomocne zwłaszcza w sytuacjach wysokiego ryzyka.” Projekt Guardians otrzymał dofinansowanie z tematu „Technologie informacyjne i komunikacyjne” Szóstego Programu Ramowego UE.