Prof. RNDr. Roman Barták, Ph.D. působí na Matfyzu na katedře teoretické informatiky a matematické logiky, kde má na starost vlastní výzkumnou skupinu. Krom toho, že je specialistou na programování s omezujícími podmínkami, o čemž napsal mnoho odborných textů, se také jako informatik zabývá bezpilotními letouny.
Pojďme rozhovor o dronech odrazit od aktuální události posledních měsíců: Facebook zveřejnil první fotografie a informace o svém projektu Internet.org. Ve svém plánu, jak napojit celý svět k internetu, počítá se solárními drony, které budou distribuovat signál z výše položených satelitů. Drony se mohou držet ve vzduchu celé roky. Mně to zní jako scifi. Jak to zní někomu, kdo sleduje technologický pokrok kolem dronů?
Začněme nejprve od samotného pojmu dron. Jedná se obecně o bezpilotní létající zařízení. Většina dronů, o kterých dnes slýcháme ze zpráv, ale pilota má, ten však zůstává na zemi a řídí drona vzdáleně. Autonomie takových dronů je poměrně omezená.
Projekt Internet.org počítá s autonomními okřídlenými drony a vzhledem k jejich očekávanému použití zde bude autonomie o něco větší. Tyto drony budou létat ve výškách kolem 20 km, což je výška, kde je minimální další provoz a kde jsou poměrně příhodné povětrnostní podmínky. Navíc lze očekávat, že se takový dron bude pohybovat po předem dané trase. Z pohledu autonomního řízení se tedy nejedná o žádnou extra novinku. Takové řízení má dnes většina běžných linkových letadel, a to ve formě autopilota. Více pro řízení takových dronů nebude potřeba, stačí vyznačená trasa, kterou mají proletět, signál GPS, který jim řekne, kde jsou, a zbytek obstará dnes již klasický řídící systém. Technologická výzva je zde spíše v energii, přesněji v napájení, které udrží takové drony po dlouhou dobu ve vzduchu.
Dokázal byste tedy na základě citovaného „paperu“ a vlastní praxe odhadnout, jak je možné řešit technologii napájení autonomních dronů?
Zde se uvažuje o napájení drona pomocí solárních panelů a „skladování“ energie v bateriích pro noční let. V plánovaných výškách je solární nabíjení s panely umístěnými na křídlech vhodým řešením, které již bylo vyzkoušeno. S bateriemi může být větší problém, a to kvůli jejich hmotnosti. Obecně je právě efektivní uložení elektrické energie problémem, který se dlouhodobě nedaří uspokojivě řešit. Zde je to ale spíše parketa fyziků, z pohledu informatiky je v tomto směru zajímavý úkol optimalizace využití dostupné energie.
Jak se pomocí informatiky dá optimalizovat napájení dronu?
Měl jsem na mysli zcela konkrétní výsledek o efektivní správě sady baterií, kdy lze technikami plánování fakticky zvýšit využitelnou energii. Stručně řečeno, když si baterie chvíli „odpočine“, lze z ní získat více energie, a jde tedy o to, jak dle aktuálních požadavků na energii naplánovat, která baterie bude v daný okamžik energii dodávat. Viz například článek Maria Fox, Derek Long, Daniele Magazzeni: Automatic Construction of Efficient Multiple Battery Usage Policies, ICAPS 2011.
Můj skepticismus není ani tak technologického rázu, jako spíše v aplikaci dané technologie na zmiňovaný problém „zasíťování“ třetího světa
V současnosti jsme svědky závodu v dobývání „třetího světa“. Firma google spustila taktéž svůj projekt Loon , který má podobný cíl, jen s využitím balónů. Co si osobně myslíte o těchto projektech?
Osobně v tom vidím spíše marketingovou akci a částečně obchod. Například Google se v poslední době angažuje ve vlastní nabídce připojení na internet i v USA (Google fiber). Zdá se mi to jako snaha mít pod větší kontrolou cestu až ke koncovému zákazníkovi. Země třetího světa jsou zatím internetem dotčené jen málo a potenciálních zákazníků je zde hodně.
Můj skepticismus není ani tak technologického rázu, jako spíše v aplikaci dané technologie na zmiňovaný problém „zasíťování“ třetího světa. Opravdu je chybějící internet tím nejpalčivějším problémem těchto zemí a opravdu tam obyvatele trápí, že nemají přístup na Facebook? Opravdu je potřeba pokrýt rozsáhlé oblasti s malou obydleností slabým signálem místo použití menšího počtu silnějších individuálních připojení například přes satelit? Jde se nepochybně o inovativní řešení, ale otázkou je, zda skutečně existuje problém, který oba projekty nastiňují, zda to je dobrý přístup pro řešení případného problému a zda se nejedná více o marketing tak trochu na efekt.
Kdybyste měl na základě dostupných technických údajů zhodnotit úspěšnost jednoho či druhého tábora, jak by závod dopadl?
Každý z přístupů má své výhody a nevýhody. Balóny „drží“ ve vzduchu samy, nepotřebují tolik energie a budou asi levnější. Jsou ale závislé na vzdušných proudech, takže znalost proudění vzduchu v daných oblastech a časech je nezbytná (Google zde má zřejmě větší znalosti díky množství dat, které uchovává). I tak asi bude potřeba balónů více. Letadla se snáze ovládají a mohou kroužit po vytyčené trase, budou ale dražší na výrobu a náročnější na údržbu. Oba přístupy mají za cíl pokrýt internetem řídce osídlené oblasti, ale po pravdě řečeno, ani jednomu z nich pro praktické využití zatím moc nedůvěřuji. Jsou to ale zajímavé technologické výzvy, zvláště projekt Loon (plánování letu a koordinace velkého množství balónů), a z pokusu o jejich řešení se můžeme hodně naučit.
Může dle vás to, že se o problematiku dronů zajímají dvě největší firmy, které působí převážně ve virtuálním prostoru, souviset s fenoménem IoT (Internet of Things)? Vyvolává to ve mně dojem, že drony distribuující internet jsou přesně tím momentem, který by tuhle éru mohl nastartovat v plné šíři. Co víc může být IoT než reální robotičtí distributoři internetu. Souhlasíte s tím? Jak velkou technologickou změnu by to mohlo nastartovat?
Droni a Internet of Things jsou podle mne odlišná témata, která nelze spojovat. Internet v každém zařízení se začne objevovat spíše tam, kde už je internet rozšířený a kde jsou WiFi či podobné sítě na každém kroku. Šíření internetu pomocí dronů v tom podle mne hraje okrajovou roli. Dálkové senzory, třeba bóje v moři sledující teplotu, proudy apod. fungují již dnes a drony s internetem k tomu nepotřebují. Nebude je potřebovat ani lednička, která sama objednává chybějící potraviny. Odtud plyne můj skepticismus ohledně aplikace dronů pro šíření internetu.
Na druhou stranu budoucnost autonomních zařízení vidím velkou, ale v trochu jiných oblastech. Autonomní droni mohou být nasazeni na různé sledovací a monitorovací mise například při živelných pohromách, ale třeba i jen pro sledování dopravy, detekci lesních požárů či monitorování větších akcí typu sportovní zápasy. Mohou být využiti i pro rychlou dopravu různých předmětů, nejen balíčků od Amazonu a doplnění obsahu již zmíněné ledničky, ale třeba dodání nouzového vybavení lidem v nepřístupných oblastech. Je to technologie, které bude levnější na použití a která rozšíří možnosti každého z nás (je jednodušší a levnější poslat malého drona s léky než shánět a platit vrtulník). Samozřejmě to ale má i své stinné stránky, od možnosti narušení soukromí až třeba po dálkové bombové útoky. To ovšem není chyba technologie samotné, jako spíše lidí, kteří ji takto zneužijí.
Na Matfyzu se zabýváme autonomními drony s důrazem na slovo autonomie.
Jak velké je téma dronů na Matfyzu? Myšleno: Kolik studentů se tím zabývá, kolik různých oborů to dokáže zaměstnat a podobně?
Na Matfyzu se zabýváme autonomními drony s důrazem na slovo autonomie. Jde tedy hlavně o software pro plně autonomní řízení dronů a pro řešení různých úloh pomocí dronů. Tvorba hardwaru je u nás spíše v pozadí a používáme existující platformy. Základními zdroji technologií je tedy umělá inteligence, ale přirozeně jsou potřeba i znalosti robotiky, počítačového zpracování obrazu a třeba také vestavěných a real-time systémů.
S drony teprve začínáme a zájem je zatím spíše vlažný v jednotkách studentů. Po první vlně zájmu přišlo ochlazení a zájem opadl. Přesto se již podařilo dokončit několik závěrečných prací se zajímavými výsledky.
Můžete jmenovat některé časté úkoly dronů, které řešíte?
Zatím se snažíme řešit spíše jednodušší a specifické úlohy, jako je autonomní přistávání, stabilizace v prostoru, sledování vybraného objektu či pohyb po vytyčené trase. Společným prvkem je použití interních senzorů drona bez vnější pomoci například v podobě GPS. V podobném trendu řešení dílčích úloh budeme pokračovat, ale časem se chceme přeorientovat na složitější úlohy řešené automatickým spojováním technik pro řešení dílčích úloh.
Co znamená „složitější úlohy řešené automatickým spojování technik pro řešení dílčích úloh“?
Představme si, že máme naprogramovaný modul, který dokáže v obraze z kamery rozpoznat zvolený objekt. Jiný modul umí z 2D pozice na snímcích z kamery vypočítat polohu předmětu v 3D prostoru. Další modul umí zaznamenat polohu objektu do globální mapy, ze které potom umí zjišťovat i polohu drona. Podle mapy umí další modul naplánovat cestu mezi libovolnými body, případně vygenerovat cestu pokrývající nějakou oblast, a jiný modul řídí let drona mezi dvěma body. Programátor může z těchto modulů poskládat řídicí program, kdy dron vletí do nějakého objektu, který zmapuje, vyhledá v něm zadané objekty a zanese jejich polohu do mapy (typický úkol průzkumných misí třeba při záchranných pracích). Ze stejných modulů lze poskládat také řídicí program, kdy dron sleduje vybraný objekt a pokud ho ztratí, tak ho bude aktivně hledat (sledovací mise). Jistě by se našly i další podobné úlohy. Otázkou je, zda pro řešení těchto komplexních úloh musí vždy programátor ručně skládat řídicí program nebo by šlo takovou řídicí proceduru neboli plán najít automaticky. Právě formálním modelováním těchto primitivních schopností dronů a jejich automatickým skládáním do řídicí procedury se věnujeme. Takové techniky zjednodušují návrh dronů, zvyšují jejich flexibilitu a autonomii a celkově dělají drony robustnějšími.
Můžete jmenovat některé zajímavé diplomové práce?
Diplomky na téma dronů zatím ne, ale výše zmíněné dílčí úlohy byly řešené v rámci bakalářských prací. Některé z nich již byly publikovány na mezinárodním fóru a o výsledky byl docela zájem, přestože se hlavně jedná o integraci existujících technik do funkčního celku.
Můžete být konkrétní a úlohy nám představit?
Jednalo se například o plně autonomní přistání kvadrikoptéry na zvolený vzor (práce Andreja Hraška), následování libovolného vybraného objektu (práce Adama Vyškovského), řízené přistání autonomního drona (práce Andreje Hraška nebo vizuální stabilizace drona za drobných disturbancí (práce Jana Škody).
Co je zatím největší překážkou ve vývoji dronů?
Největší překážkou a zároveň výzvou jsou asi lidé samotní. Vytvářet roboty pro prostředí bez lidí je dnes už poměrně běžný spíše inženýrský úkol (nemluvíme-li o průzkumných sondách pro neznámá prostředí). Lidský prvek a nejenom on ale vnáší do prostředí nejistotu a jistou nepředvídatelnost, takže předprogramované postupy nefungují a je potřeba vyšší míra autonomie, což je právě to, co nás zajímá a co je stále těžký problém.
Pohyb v prostředí s lidmi přináší i nové etické a právní problémy, které v informatickém výzkumu dosud nebyly běžné. Současná legislativa například velmi omezuje létaní s drony ve volném prostoru (mimo budovy), což další rozvoj spíše omezuje.
Jistou překážkou je i stále vysoká cena kvalitního hardware, například senzorů, a s tím spojená jedna nepříjemná vlastnost dronů, totiž že při chybách řízení rádi padají a rozbíjejí se (proto také zatím není vhodné létat s drony mezi lidmi).
Mohlo by vás zajímat:
X-Copter
Studio: Ovládni svou quadrucoptéru
Robert
Husák: Droni jako zábavní společníci
Informatika,
kam se podíváš
MatFFyzExpo:
Deset dnů zábavy na Festivalu fantazie