Введение

Международный конкурс аэророботики (International Aerial Robotics Competition, IARC) – университетский конкурс по робототехнике, проводимый на территории Технологического института Джорджии. С 1991 года студенческие команды при поддержке промышленности и правительства разрабатывают и испытывают автономных летающих роботов, стремясь выполнить задания, требующие роботизированных действий, которые ранее не демонстрировались летательными аппаратами. Термин «аэророботика» был введен создателем конкурса Робертом Майкельсоном в 1990 году для обозначения нового класса небольших, высокоинтеллектуальных летательных машин. За годы проведения конкурса эти аэророботы прошли путь от аппаратов, едва способных удерживаться в воздухе, до автоматизированных систем, обладающих самостабилизацией, автономной навигацией и способностью взаимодействовать с окружающей средой. Целью конкурса является стимулирование развития аэророботики. Задания разрабатываются таким образом, чтобы способствовать достижению прогресса в этой области. С 1991 по 2009 год было предложено шесть различных миссий, каждая из которых требовала демонстрации полностью автономного поведения роботов, не реализованного ранее. В октябре 2013 года была предложена седьмая миссия, впервые предполагающая взаимодействие между аэророботами и несколькими наземными роботами. В 2016 году конкурс и его создатель были отмечены в ходе законодательной сессии штата Джорджия в виде сенатской резолюции, признающей IARC самым продолжительным в мире конкурсом по аэророботике.

Первая миссия

Первоначальная задача – переместить металлический диск с одной стороны арены на другую – многим казалась почти невыполнимой. Колледжские команды улучшили свои разработки в течение следующих двух лет, и на конкурсе впервые был продемонстрирован полностью автономный взлет, полет и посадка командой из Технологического института Джорджии. В 1995 году команда Стэнфордского университета смогла захватить один диск и переместить его с одной стороны арены на другую в полностью автономном полете – наполовину.

Вторая миссия

Конкурсная миссия была усложнена и стала более конкретной, потребовав от команд найти свалку токсичных отходов, составить карту расположения частично закопанных, произвольно ориентированных бочек с токсичными отходами, определить содержимое каждой бочки по маркировке об опасности на ее внешней стороне и доставить образец из одной из бочек. В 1996 году команда из Массачусетского технологического института и Бостонского университета при поддержке Draper Labs создала небольшого полностью автономного летающего робота, который неоднократно и точно отображал местоположение всех пяти бочек с токсичными отходами и правильно определил содержимое двух из них по данным, полученным с воздуха, выполнив приблизительно семьдесят пять процентов задания. В следующем году воздушный робот, разработанный командой из университета Карнеги-Меллон, выполнил всю миссию. Сценарий был воссоздан на учебном полигоне Управления опасными материалами и реагирования на чрезвычайные ситуации (HAMMER) при Министерстве энергетики США. Ввиду реалистичности сценария, вместо живых актеров использовались аниматронные фигуры для имитации пострадавших, не способных самостоятельно выбраться из зоны бедствия. Воздушный робот из немецкого Технического университета Берлина смог обнаружить и избежать всех препятствий, идентифицировать всех погибших на земле и выживших (различая их по наличию движения) и передать фотографии выживших вместе с их координатами спасателям для проведения спасательной операции. Эта миссия была завершена в 2000 году.

Четвертая миссия

Четвертая миссия была начата в 2001 году. Она включала три сценария, требующих одинакового автономного поведения: миссию по спасению заложников, в которой подводная лодка, находящаяся в 3 километрах от побережья, должна отправить воздушного робота для поиска прибрежного города, идентификации посольства, где удерживаются заложники, обнаружения подходящих проемов в здании посольства, проникновения внутрь (или отправки сенсорного зонда/подводного аппарата) и передачи фотографий заложников на расстояние 3 км до подводной лодки перед началом десантного штурма посольства для их освобождения; обнаружение древнего мавзолея, где вирус уничтожил археологическую группу, которая сообщила по радио о наличии внутри важного и не задокументированного гобелена, с задачей отправить автономного воздушного робота для поиска мавзолея, проникновения внутрь (или отправки сенсорного зонда/подводного аппарата) и передачи фотографий гобелена до разрушения мавзолея и его содержимого; и взрыв на ядерном реакторе, где ученым необходимо отправить воздушного робота для поиска здания реактора, проникновения внутрь (или отправки сенсорного зонда/подводного аппарата) и передачи изображений панелей управления для определения вероятности аварии с расплавлением активной зоны. Все три миссии включали в себя одни и те же этапы: проникновение, поиск, идентификация, вход и передача изображений в течение 15 минут. Миссия проводилась в Солдатской лаборатории боевых действий Форт-Беннинг армейского центра США с использованием полигона McKenna MOUT (Military Operations on Urban Terrain). Четвертая миссия была завершена в 2008 году с участием 27 команд, продемонстрировавших все необходимые навыки управления воздушным роботом, за исключением способности выполнять эти действия менее чем за 15 минут – результат, который судьи сочли неизбежным при наличии большего времени и, следовательно, больше не представлял собой значительной проблемы. Таким образом, четвертая миссия была завершена, было выплачено $80 000 в качестве призов, и была начата разработка пятой миссии.

Пятая миссия

Пятая миссия продолжила четвертую, продемонстрировав полностью автономные возможности воздушного робота, необходимые для быстрого перемещения в ограниченных внутренних пространствах сооружения после его проникновения воздушным аппаратом. Сценарий взрыва ядерного реакторного комплекса, использованный в четвертой миссии, послужил основой для пятой. Пятая миссия требовала от полностью автономного летательного аппарата проникнуть в сооружение и ориентироваться в более сложном внутреннем пространстве, включающем коридоры, небольшие помещения, препятствия и тупики, для поиска заданной цели без использования глобальных навигационных систем и передачи изображений на станцию мониторинга, расположенную на некотором удалении от сооружения. В рамках этого мероприятия IARC 2009 года был проведен Первый симпозиум по проблемам полетов в помещениях.

Шестой миссия

Шестая миссия началась в 2010 году как развитие темы пятой миссии, посвященной автономному полету в помещениях, однако она требовала более сложных алгоритмов поведения, чем могли обеспечить любые летающие роботы, существовавшие в 2010 году. Эта шпионская миссия заключалась в тайном изъятии флеш-накопителя из определенной комнаты в здании и оставлении на его месте идентичного накопителя, чтобы избежать обнаружения кражи. Симпозиум по проблемам полетов в помещениях 2010 года проходил одновременно в Университете Пуэрто-Рико – Маягуэс во время соревнований, посвященных 20-летию.

Седьмая миссия

Седьмая миссия началась в 2014 году и требовала более сложных действий, чем могли выполнить какие-либо существовавшие на тот момент воздушные роботы. Один автономный воздушный робот должен был собрать до 10 автономных наземных роботов-целей к одному обозначенному концу арены размером 20 м x 20 м за время менее 10 минут. Арена не имела стен для SLAM-картографирования и не поддерживала GPS-навигацию. Методы, такие как оптический поток или оптическая одометрия, могли быть использованы для навигации внутри арены. Столкновение с наземным роботом-препятствием приводило к завершению попытки без начисления очков. Взаимодействие автономных воздушных роботов с наземными роботами происходило следующим образом: при касании воздушным роботом наземного робота сверху, наземный робот поворачивался на 45° по часовой стрелке. Если воздушный робот блокировал движение наземного робота, приземляясь перед ним, наземный робот менял направление движения на противоположное. Наземные роботы, покинувшие арену, снижали общий счет воздушного робота, поэтому автономным воздушным роботам необходимо было определять, какие наземные роботы находятся под непосредственной угрозой пересечения границы, отличной от обозначенной, и перенаправлять их к этой границе. Университет Чжэцзян стал абсолютным победителем Миссии 7, в которой участвовали 52 команды из 12 стран.

Восьмая миссия

В 2018 году была объявлена 8-я миссия. Миссия 8 впервые была посвящена неэлектронному взаимодействию человека и машины, в ходе которой четыре летающих робота помогали людям выполнять задачи, которые один человек не мог выполнить самостоятельно. Основная идея миссии 8 заключалась в том, что рой автономных летающих роботов работал совместно с человеком для достижения цели в условиях противодействия враждебных летающих роботов "Sentry", которые пытались воспрепятствовать выполнению задачи. В 2018 году, в год запуска миссии 8, американская площадка проведения соревнований располагалась на территории Технологического института Джорджии в Атланте, штат Джорджия, а Азиатско-Тихоокеанская площадка – в Университете Бейханга в Пекине, Китай. В следующем году миссия 8 была успешно выполнена в Куньмине, Китай, в Инновационном институте Юньнань Университета Бейханга, менее чем за 8 минут тремя командами. Среди них Нанкинский университет аэронавтики и космонавтики (NUAA) показал лучшее время выполнения. Университет Сунь Ят-Сена завершил миссию с отставанием всего в 10 секунд от NUAA. Институт Харбина также успешно выполнил миссию, с 12 секундами в запасе. NUAA выиграл главный приз в размере 10 000 долларов.

Девятая миссия

В 2023 году завершилась девятая миссия. Миссия 9 была посвящена полностью автономному полету с использованием исключительно бортовых вычислительных средств, избегая препятствий и других летающих роботов на маршруте протяженностью 3 км. Целью было заменить коммуникационный модуль весом 2 кг (4,4 фунта) и длиной около 1 м (39 дюймов), расположенный на мачте движущейся платформы (лодки при высоте волнения моря 3) и вернуться на базу менее чем за 9 минут. Двенадцать зарегистрированных команд из четырех стран предприняли попытку выполнить миссию в своих университетах, что было обусловлено ограничениями на поездки, связанными с COVID-19. Лучший результат показала команда Норвежского университета науки и технологии (NTNU). Эта команда продемонстрировала все необходимые действия, предусмотренные официальными правилами миссии 9, в ходе нескольких подтвержденных заездов, однако во время финального оценочного заезда произошел сбой оборудования, которое успешно работало на предыдущих попытках. Тем не менее, общая эффективность команды была признана достаточной для присуждения ей первого места.

Участники

Коллегиальные команды, участвующие в IARC, формировались преимущественно из Соединенных Штатов и Китайской Народной Республики, но также из Германии, Англии, Швейцарии, Норвегии, Испании, Канады, Чили, Катара, Ирана и Индии. Численность команд варьируется от нескольких студентов до двадцати и более. В командах представлены как студенты бакалавриата, так и магистратуры, однако некоторые команды состояли исключительно из студентов бакалавриата или магистратуры. Участие представителей промышленности не допускается, но они могут оказывать студенческим командам поддержку в виде финансирования и оборудования.

Аэроботы

Дизайн воздушных роботов варьируется от самолетов с фиксированным крылом до обычных вертолетов, воздуховодов, дирижаблей и даже до причудливых гибридных конструкций. Поскольку соревнование ориентировано на полностью автономное поведение, сама конструкция летательного аппарата имеет меньшее значение. Воздушные роботы должны быть беспилотными и автономными и соревноваться, демонстрируя способность воспринимать полуструктурированную среду соревновательной арены. Они могут быть оснащены искусственным интеллектом или быть запрограммированными, но для большинства заданий управление ими дистанционно человеком недопустимо. Обычно на воздушные роботы накладываются ограничения по размеру или весу, и они должны быть оснащены системой ручного дистанционного отключения основной двигательной установки. Миссия 8 была исключением, так как она позволяла оператору управлять четырьмя автономными воздушными судами посредством жестов или голосовых команд.

Призы

Призы IARC традиционно присуждались по принципу "победитель получает все", хотя в первые годы соревнований денежные премии за прогресс вручались для дальнейшего развития лучших участников. Третья миссия заняла три года, и в итоге Technische Universitaet Berlin выиграла 30 000 долларов. В ходе четвертой миссии стало ясно, что быстрых победителей не будет, и каждой команде потребуются годы разработки. Поэтому был учрежден призовой фонд с постепенным увеличением, к которому Международный фонд Ассоциации беспилотных транспортных систем ежегодно добавлял еще 10 000 долларов США. В 2008 году размер приза был установлен в 80 000 долларов. Любая команда, завершившая четвертую миссию менее чем за 15 минут, получала весь приз в размере 80 000 долларов, в противном случае приз распределялся между участниками 2008 года, показавшими результат, наиболее близкий к цели в 15 минут. К 2008 году были продемонстрированы уровни 1–3 четвертой миссии, что подтверждало возможность выполнения всех необходимых задач для воздушных роботов, но к концу мероприятия 2008 года ни одна команда не смогла последовательно и бесперебойно продемонстрировать все задачи менее чем за 15 минут. Поэтому 80 000 долларов были распределены между десятью финалистами: (Технологический институт Джорджии получил 27 700 долларов; Политехнический институт и государственный университет Вирджинии – 17 700 долларов; и Embry Riddle/DeVry Calgary – 12 200 долларов, а остаток был распределен между другими финалистами по результатам). В 2009 году команде из Массачусетского технологического института было присуждено 10 000 долларов за выполнение Миссии 5. В августе 2013 года команда из Университета Цинхуа завершила всю шестую миссию, выиграв 40 000 долларов. Впоследствии в 2018 году Университет Чжэцзян получил 20 000 долларов за выполнение Миссии 7, а Университет аэронавтики и космонавтики Нанкина был награжден 10 000 долларов за выполнение Миссии 8. Миссию 9 завершил Норвежский университет науки и технологий, получив в 2023 году 10 000 долларов за лучшее выступление среди двенадцати международных команд из Соединенных Штатов, Китая и Индии.

Отдельные компании

Создатель конкурса Роберт Микельсон является бывшим президентом Ассоциации систем беспилотных транспортных средств (AUVSI). IARC была впервые создана с использованием начального капитала для логистики и главного приза, предоставленного Ассоциацией. После первоначального успеха и огромного внимания средств массовой информации, вызванного IARC, AUVSI через несколько лет запустила Intelligent Ground Vehicle Competition в Детройте, штат Мичиган. Организовал это член совета директоров AUVSI Джерри Лейн, который в то время работал в Командовании танковой техники армии США. В 1998 году подводное сообщество было представлено, когда AUVSI и Управление военно-морских исследований США объединили усилия для проведения первого Международного конкурса автономных подводных аппаратов, который ежегодно проходит в США. Во всех этих соревнованиях – на суше, на море и в воздухе – в основе лежит "полная автономия" как отличительная черта. Ассоциация систем беспилотных транспортных средств Международный фонд (переименованный в 2009 году в RoboNation) продолжает оказывать этим соревнованиям поддержку в части логистики и призового фонда, хотя существует также множество отраслевых соспонсоров.

Избранные доклады и публикации IARC

Мишельсон, Р. К., «Автономные воздушные роботы», Беспилотные системы, том 29, № 10, октябрь 2011, Ассоциация беспилотных транспортных систем Международная, Вашингтон, округ Колумбия, стр. 38–42.
Хоу, Дж., Вогль, М., Баник, Дж. и др., «Проектирование и разработка системы аэророботической разведки Школы горнодобывающих и технологических наук Южной Дакоты», Материалы 1994 года AUVSI.
Шапюи, Ж., Эк, К., Геринг, Х. П., Мудра, Р., «Участие Швейцарии в Международном конкурсе по аэророботике 1996 года», Материалы 1996 года AUVSI, июль 1996, Орландо, Флорида, стр. 947–953.
Паджетт, У. Т., «Обучение дизайну посредством конкурсов по дизайну», Конференция «Передовые достижения в образовании». Обучение и преподавание в эпоху перемен, 27-я ежегодная конференция, 5–8 ноября 1997 г., том 3, стр. 1477–1480.
Ку, Т. Дж., Шим, Д. Х., Шакерния, О., Синополи, Б., Ма, И., Хоффман, Ф., Састри, С., «Иерархическое гибридное проектирование системы на базе беспилотного автономного воздушного аппарата Беркли», Материалы 1998 года AUVSI, июль 1998 г.
Грир, Д., Макерроу, П., Абраниш, Ж., «Роботы в городских поисково-спасательных операциях», Материалы Австралазийской конференции по автоматизации 2002 года, Окленд, Австралийская ассоциация робототехники и автоматизации, 27–29 ноября 2002 г., стр. 25–30.
Проктор, А. А., Каннан, С. К., Раабе, К., Кристоферсен, Х. Б. и Джонсон, Э. Н., «Разработка автономной системы воздушной разведки в Технологическом институте Джорджии», Материалы симпозиума и выставки беспилотных систем Ассоциации беспилотных транспортных систем Международной, 2003 г.