澳大利亚的一个团队正在进行自己的DARPA洞穴挑战赛来测试机器人

发布时间：2020-12-17 15:58:19来源：IEEE电气电子工程师

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Photo:TeamCSIROData61

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管DARPASubTChallenge的活动因全球大流行病而取消，但仍需要为2021年的FinalEvent动做准备，该活动将包括“洞穴”部分。SystemsTrack小组一直在独自寻找洞穴环境进行测试，他们中的许多人正在为的DARPA的比赛来测试其软件和硬件。

我们将发布一系列访谈，探讨该团队在哪里以及如何实现这一目标，今天我们将介绍位于澳大利亚布里斯班的CSIROData61团队。

本次访谈重点包括了来自CSIROData61团队的以下机器人专家：

KatrinaLoSurdo—ElectricalandComputerEngineer,AdvancedMechatronicsSystems

NicolasHudson—SeniorPrincipalResearchScientist,GroupLeader

NavindaKottege—PrincipalResearchScientist,DynamicPlatformsTeamLeader

FletcherTalbot—SoftwareEngineer,DynamicPlatformsandPrimaryRobotOperator

IEEESpectrum：跟我说说你的洞穴吧！你是怎么找到的？是什么样子的呢？

KatrinaLoSurdo：我们基本上只是给澳大利亚各地的不同的洞穴探险俱乐部发了一堆电子邮件，询问他们是否知道我们可以在哪里测试我们的机器人，但大多数人都拒绝了。不过，在Chillagoe的这个洞穴探险俱乐部（布里斯班以北20小时车程）说，他们知道一个很好的洞穴。Chillagoe的洞穴曾经是珊瑚礁，它们形成于大约4亿年前，然后随着时间的推移，珊瑚礁变成了石灰岩，然后石灰岩被侵蚀成洞穴。在我们去的那个特定的洞穴里，虽然很多构造和实际的洞穴本身都是由石灰岩形成的，但是洞穴内部沉积了大量的沉积物，所以地面相当平坦。当你想到澳大利亚的时候，你会想到那种红色的泥土的感觉。

我真的认为这个洞穴很好地融合了大多数洞穴中的元素。它确实有一些垂直性，一些巨大的洞穴，和一些非常小的受限通道。而且它的面积也很广，所以我认为它很好地代表了许多不同类型的洞穴。

你是在找你所能找到的洞穴，还是特别适合机器人的洞穴？

LoSurdo：我们希望能够尽可能的成功，但所找到的洞穴需要具备足够的挑战性，这样才能对我非常有帮助。所以，如果它是完全平坦且没有障碍的话，那我不会认为那是一个合适的选择。另一个需要考虑的问题是洞穴本身是否脆弱容易坍塌或者是否存在其他什么情况--因为很明显的是，我们需要在里面操作我们的机器人，我们并不想破坏它。

NicolasHudson：还需要补充的一点是，Katrina是一个经验丰富的洞穴探险者和登山专家，所以当她说这个洞穴人类很容易穿过时，她的意思是洞穴探险者觉得很容易。但是，对于队里的去其他人来说，在山洞里并不是那么舒服的事情。

从城市环境到洞穴环境，你觉得最大的新挑战是什么？

Hudson：从城市到山洞的想法是，在城市里，我们的设计基本上是为了让人、腿或跟踪系统能够穿越。例如，在市区，我们驾驶一架无人机穿过地板上的一个洞，但它旁边有一个楼梯。洞穴里只有雄蜂才能进入。

另一个很好的例子是，我们的无人机实际上在某一点上超出了我们预期的航向，因为我们没有任何人为的限制--只是洞穴系统。它飞过了一个我们人体感受不舒服的地方。所以，我认为洞穴系统确实是一个地方，在那里，无人机的机动性在某些地区展现的甚至比城市环境更为耀眼。在我看来，这是最重要的区别。

你的机器人团队是如何在城市和洞穴之间变化的？

Hudson：我们的机器人没什么变化。我们保留了大型Titan机器人，因为它们是我们目前最有能力的地面平台。在我看来，他们实际上比腿在高强度的滑斜坡上更有能力，因为他们有足够的抓地力。有些时候人类不会走上去，但Titan可以开上去。所以它仍然是我们的主要平台。

虽然较大的平台可以覆盖很多地面并且非常稳定，但是较小的履带式平台，大约一米长的SuperDroid机器人，甚至在洞穴中无法工作。比如，它们可以跑一米，但是牵引力不够，因为他们太小了。我们已经开始研究一个加强的小型履带式平台，它的抓地力更强。我们有一个GhostVision60。

我真的认为最大的区别是无人机发挥了更大的作用。在城市里，无人机有目标的调查任务，它会坐在Titan的后面，可以起飞，你会把它从洞里或类似的地方送上去。在山洞里，我们发现我们做的更多的其实是用它来侦察，因为地面太有挑战性了。与地面机器人一起在一个山洞里走20米，可能会异常的困难。

Photo:TeamCSIROData61

面对如此极端的机动性挑战，为什么还要使用地面机器人呢？为什么不继续使用无人机呢？

Hudson：我们发现地面机器人的感知能力明显提高。四个机器人有360度的视野来探测地面。这架无人机作为侦察兵很出色，但它很难找到目标，因为那里有太多的裂缝，用无人机查看每个区域都非常耗时，而且电池也用完了。因此，这实际上是地面机器人的耐力和他们发挥作用的更好的感知能力的体现。

我们用无人机来计算洞穴的拓扑布局。我们事先没有让操作人员看到洞穴，在城市里这有点难以理解，无人机表现得很好，因为那里有非常常规的几何分布的房间，所以你可以用一个万向架摄像机来覆盖东西。但是在洞穴里有那么多奇怪的结构，而且只用一台摄像机所拍摄的范围很差。

当机器人和无人机在一起时，机器人如何判断地面的安全？

Hudson：我会用第一对模拟比赛来回答，在那里机器人操作员没有任何事先了解洞穴的情况。那么，一旦无人机完成了侦察任务，操作员就得到了一个反馈，关于是否有任何限制或海拔的变化。然后，我们把地面机器人分散到不同的区域并尝试了一些方法。

我们的自主系统提供了一些我们没有预料到的东西，本来我们只是认为它会说“不要去那里”。在遇到有一些岩石的情况下，自主系统会表示“我不想那样做”，但在地图上看来，该地形是可穿越的。我们还有一种备用遥控模式，你可以控制轨道的速度。有一次，它的表现是不错的--确实穿过了自主系统所告知的不要去的地方。但另外两次却不尽然，最终压碎了无人机。

因此，一个真正的教训是，即使使用3D点云和摄像机，人类操作员也很难感知什么是可穿越的，什么是不可穿越的。我印象深刻的是，作为一个人类，很难预测机器人能穿越什么。

LoSurdo：自主系统在选择道路方面做得更好。

那么，即使在这种复杂的环境中，自主性也比人类的远程操作员做得更好吗？

Hudson：这是个很难回答的问题。有一半时间，这是绝对正确的：机器人的能力比人类想象的要高。还有一些时候，我认为一个站在机器人旁边的远程操作系统的人类可以更好地理解诸如疯狂的地形或灰尘之类的事情，而机器人就是没有这种背景理解功能。我想如果我必须给它排序的话，一个在机器人旁边有遥控器的人类可能是最好的选择。但是，自主性的机器人绝对要好于在基站操作延迟的人类。

这和你在隧道或城市的经历大不相同，对吧？在那里，人类的操作可以比完全自主的机器人更高效和更安全？

Hudson：没错。

洞穴所独有的挑战是什么？

Hudson：洞穴地形是多种因素的混合体。它的一部分是干涸的河床，而另一部分的岩石看起来像珊瑚。有些建筑从顶上落下，有些东西是从地上长出来的，这些是完全随机分布的障碍物，人类很难预料。我们确实看到过机器人被这些障碍困住过一两次。

我们每测试一次，我们的大型地面机器人都至少翻滚一次，这种情况几乎总是发生，因为机器人下方的地形发生变形时，它会从两米的落差上滑落。不过Titan是非常坚固的，整个设置可以翻转，所以能够继续工作。

在模拟洞穴巡回赛中作为机器人操作员有什么样的经验？

FletcherTalbot：这是非常困难的。我们做了一些大胆的假设，结果发现对地形的判断非常错误，因为我和其他操作员完全不知道洞穴是什么样子，在我们真正参观之前，我们没有看到任何照片或任何东西。我的想法在最初就是错误的，因为我们从点云和网格中得到的一些反馈信息有些错误，然后在模拟比赛结束后，通过参观洞穴的方式才猛然唤醒了我。

例如，在测试过程中，我们看到一些似乎完全可以通过的斜坡，所以我们试着让机器人爬上了这些斜坡--如果我知道这些斜坡的实际情况，我绝不会这样做的。我们清楚地认识到，操作员会阻碍机器人的进步，因为我们有时并不能真正的知道自己在做什么。我的方法是让机器人更加自主，只给它们很高级别的命令，而不是试图做任何精细处理。这是我的收获--相信自主性。

Photo:TeamCSIROData61

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所以洞穴巡回赛让你更加信任你的机器人了吗？

Talbot：是的。

更多关于DARPASubT的相关内容，请见网址：https://spectrum.ieee.org/tag/subt

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