Droni in snovanje ostrejšega računalniškega vida

Droni so hitro postali tehnološka uspešnica za množično rabo, podobno kot pametni telefoni. Obe napravi lahko primerjamo tudi zato, ker imata nekatere sestavne dele enake, denimo baterijo in senzorje. Pri dronih, podobno kot pri pametnih telefonih, je kljub navidezni tehnološki dovršenosti še precej možnosti za razvoj na področjih varnosti in novih aplikacij.

Preskoki iz razvojnih laboratorijev v množično uporabo so pri nekaterih tehnoloških novostih v 21. stoletju hitrejši kot kadarkoli prej. Droni, ki za zdaj še nimajo enotnega imena – nekateri jim zato rečejo kvadrokopterji, leteči roboti, brezpilotni letalniki in troti – so bili že pred desetimi leti priljubljene »igračke« za ljubitelje letalskih modelov, tudi med približno 2000 slovenskimi modelarji.

Posnetki, narejeni s kamerami na dronih, pa se uveljavljajo v televizijskih prenosih športnih prireditev, oglaševanju, umetniških projektih, arheologiji, gradbeništvu, reševalnih akcijah po potresih, požarih in drugih nesrečah ter pri nadzoru meja in vojaških operacijah. Zaradi teh, natančneje zaradi bombnih napadov v Iraku in Afganistanu, ki jih z brezpilotniki izvaja ameriška vojska, so droni dobili precej negativen prizvok. Kaže pa, da so številne koristne aplikacije, ki so jih razvili znanstveniki različnih ved, zasenčile negativno konotacijo samega izraza droni.

Hiter napredek elektronike, senzorjev in baterij je v zadnjih letih omogočil, da so brezpilotni letalniki postali tehnološka uspešnica za množično rabo, ki si jo lahko privošči skoraj vsak. Med nedavnimi novoletnimi prazniki so bili menda najbolj priljubljeno darilo, saj so dostopni že za sto dolarjev, kar je naravnost obnorelo Američane.

Prav množična uporaba, ki se je razbohotila v zadnjih dveh letih, prinaša tveganje za varnost ljudi in premoženja, če letalnike krmilijo nevešči upravljavci in če pravila o gibanju v zračnem prostoru niso jasno določena. Tudi decembrsko strmoglavljenje televizijskega drona na slalomsko progo v Madonni di Campiglio v trenutku, ko je po njej smučal tekmovalec, potrjuje domnevo, da bi z razvojem računalniških algoritmov in računalniških vezij na kvadrokopterju in napravi za daljinsko upravljanje lahko še izboljšali varnost in zanesljivost brezpilotnikov.

Slovensko znanje

S kakšnimi vprašanji v povezavi z droni se ukvarjajo matematiki, računalničarji in strojniki, smo vprašali dr. Aleša Jakliča z ljubljanske fakultete za računalništvo in informatiko. V njihovem laboratoriju za računalniški vid imajo dron, ki so ga sami sestavili, uporabljajo pa ga predvsem pri umetniških projektih in tudi kot demonstracijski pripomoček na informativnih dnevih za srednješolce. Za sestavne dele so pred štirimi leti plačali približno tisoč evrov, danes pa bi za podoben, že sestavljen dron odšteli polovico manj. Silovit padec cene je tudi vzrok za množično prodajo in uporabo dronov kot naprave zgolj za zabavo in prosti čas ali pa za različne komercialne namene.

»Množično so se začeli pojavljati najprej med švicarskimi in nemškimi modelarji, ki so izdelali prve prototipe. Leta 2008 namreč še ni bilo mogoče kupiti popolnoma izdelanega kvadrokopterja, potem pa je ta tehnologija postala dovolj zrela. To je pomenilo, da je bil dron bolj zanesljiv, tudi če si ga izdelal sam,« se spominja dr. Jaklič. Pravi še, da je bil dolgo nerešen problem učinkovitega krmiljenja, a so ga rešili z razvojem mirkoprocesorjev in senzorjev, ki zagotavljajo kvadrokopterju stabilnost. Ko je baterija, ki poganja motorje na letalniku, postala lažja in zmogljivejša, se je široka uporabnost kvadrokopterjev še bolj povečala.

Motorji iz časov Nikole Tesle

Kvadrokopter je glede na mehanske sestavne dele dokaj preprost letalnik. Ima štiri brezkrtačne motorje, ki zelo učinkovito pretvarjajo električno energijo v vrtenje elis, ne povzročajo iskrenja in s tem motenj pri ostalih elektronskih sistemih, ki skrbijo za vodenje naprave. Tehnologija delovanja brezkrtačnih motorjev je znana še iz časov Nikole Tesle. Na vsakem motorju je pritrjena elisa, od katerih se dve vrtita v eno smer, dve pa v drugo. »Srce« drona pa je mikroprocesor s pospeškomerom in žiroskopskimi senzorji, ki merijo gibanje in zagotavljajo stabilnost v gibanju, da kvadrokopter ne omahne. Elektronika tako poskrbi, da kvadrokopter v osnovni legi lahko miruje in se ne nagiba v nobeno smer.

»Na enem kvadrokopterju je več mikroprocesorjev, poleg centralnega so še v krmilnikih za motorje in v napravi za krmiljenje na daljavo. Kvadrokopter se upravlja z enako napravo, kakršno uporabljajo modelarji za daljinsko vodenje letalskih modelov, doseg teh naprav pa je približno kilometer. Ker pa upravljalec težko z očesom sledi gibanju drona kilometer daleč ali celo dlje, uporabljajo krmiljenje prek sistema GPS.

Kamera na dronu oddaja posnetke upravljavcu na tleh; ta jih gleda s posebnimi očali, kar mu omogoča dobro upravljanje drona tudi takrat, ko poleti visoko, denimo nad oblake, ali tako daleč, da mu ni več mogoče slediti s prostim očesom. Seveda je tu treba poudariti, da je takšno letenje brez neposrednega vidnega stika lahko zelo tvegano in ga regulativa praviloma ne dopušča,« razloži dr. Jaklič.

Glavni sestavni del drona je tudi baterija, ki je enako kot pri mobilnih telefonih litij-polimerska. Tovrstne baterije, ki so bile včasih pretežke in predrage, so v zadnjih letih postale cenejše predvsem zaradi mobilne telefonije. »Baterije lahko hranijo veliko energije na enoto mase, zato je njihov razvoj veliko prispeval k temu, da so se kvadrokopterji tako močno uveljavili,« meni dr. Jaklič. Kljub izpopolnjenosti baterij pa je njihova uporaba še vedno malce tvegana, predvsem takrat, ko se baterija med padcem mehansko poškoduje, zaradi česar lahko celo zagori.

Kombinacija letala in drona

Najboljša lastnost kvadrokopterjev je lebdenje, omejitve pa so v dolžini poleta. Kvadrokopter še ne more leteti tako daleč kakor letalo, zato razvoj, denimo za praktično uporabo dronov, poteka v smeri kombinacije med modelarskimi letali, ki lahko poletijo daleč, in kvadrokopterji.

Pri dronih za dostavo pošiljk se zato uporablja kvadrokopter samo za vzlet in pristanek, letenje pa poteka podobno kakor pri letalih. Z večjimi droni, ki imajo celo osem elis in lahko tehtajo do šest kilogramov, lahko prenesejo tudi večje pošiljke. Na večjih dronih so lahko nameščene tudi večje kamere, ki lahko naredijo zračne posnetke nekega terena ali objekta v visoki resoluciji in iz takšnega zornega kota, kakršnega se ne da s klasičnim helikopterjem.

Posnetki z droni so tudi bistveno cenejši kot s helikopterjem. Kakor meni dr. Jaklič, so droni po tehnološki plati precej dovršeni, a še vedno potrebujejo nekaj izpopolnitev. Med njimi, denimo, tudi na področju računalniškega vida, in sicer zato, da bodo možnosti za nove aplikacije brezpilotnih sistemov še večje.

Trenutno največji izziv za razvijalce v tehnoloških podjetjih so multikopterji, torej droni za prevoz potnikov. Prototipi so že narejeni, kitajski izdelovalec Ehang pa je predstavil model letalnika za osebni prevoz na nedavnem sejmu zabavne elektronike v Las Vegasu. Tudi v Sloveniji se z razvojem brezpilotnih sistemov ukvarja nekaj podjetij, med katerimi izstopa podjetje C-Astral, ki je dobilo naročilo za izdelavo brezpilotnih letalnikov za slovensko vojsko, sicer pa večino letalnikov izvozijo.

Izzivi za razvoj

Po besedah dr. Jakliča na njihovi fakulteti bolj pozorno spremljajo razvoj predvsem na področju računalniškega vida, zato tudi sodelujejo z graško univerzo za tehnologijo; tam se posebna raziskovalna skupina ukvarja z računalniškim vidom za drone. Profesor na graški univerzi dr. Friedrich Fraundorfer pa je prejšnji teden študentom na ljubljanski fakulteti za računalništvo in informatiko predstavil projekte, ki jih razvija skupaj z doktorskimi študenti na področju algoritmov za računalniški vid pri dronih.

Osredotočeni so na razvoj algoritmov, s katerimi posnetke, narejene s kamerami na dronih, prevajajo v tridimenzionalne rekonstrukcije stavb. Podobne aplikacije se uveljavljajo tudi v Sloveniji, predvsem v geodeziji. Geodeti s kvadrokopterjem zajamejo sliko nekega terena, na katerem je, denimo, predvidena gradnja objekta, nato pa s pomočjo računalniških algoritmov prevedejo posnetke v tridimenzionalno sliko.

Tak pristop uporabljajo tudi arheologi pri varovanju kulturne dediščin. Aplikacije z droni jim namreč omogočajo generiranje 3D posnetkov terena, kjer je neko arheološko najdišče.

Izziv za strokovnjake tako v akademskih laboratorjih kot v razvojnih oddelkih podjetij so tudi učinkovito programiranje in vodenje zahtevnih aplikacij, s katerimi upravljajo roje dronov. Jata dronov, ki dejansko delujejo kakor leteči roboti, je namreč uporabna tudi v gradbeništvu, ko velike bloke dvigne več dronov hkrati.

Še večje koristi s pomočjo nove tehnologije pa si obetajo reševalci, ko se morajo prebiti do poškodovancev po potresu in ne vedo, kje jih sploh iskati. Manjši dron ali jata dronov lahko poleti skozi zelo majhne odprtine ruševin in posname mesto, kjer je žrtev. Ti mikroroboti lahko pridejo skozi dele, skozi katere človek ali drugi roboti ne morejo. Droni tako lahko letijo blizu določenega objekta ali nesreč, kamor druga zračna plovila ne morejo, zato so tudi fotografski posnetki, narejeni z droni prinašalci dragocenih informacij in seveda tudi pogleda iz drugačne perspektiva.

»S posnetkov, ki jih posname fotografska kamera na dronu, lahko veliko razberemo, prevedba slik v simbolični računalniški opis, ki omogoča izvajanje nalog, pa je težek problem, ki ga rešujemo z algoritmi računalniškega vida. Znanstveno delo je zato zdaj usmerjeno v razvoj takšnih računalniških algoritmov,« pravi dr. Aleš Jaklič.