ОБЗОРЫ
Окончание. Начало см. PC Week/RE, N 9/ 2004, с. 52 и N 10/2004, с. 53.
Ситуация на рынке
В явном виде рынок специализированных систем для навигации роботов практически отсутствует. Если он и существует, то характеризуется совсем небольшим оборотом и не попадает в исследовательские отчеты маркетинговых агентств. В конкретных проектах инженеры применяют типовые коммерческие навигационные решения.
Для нужд глобальной навигации роботов обычно задействуются приемники GPS (объем услуг этой спутниковой системы только в 2003 г. составил 16 млрд. долл.). В ближайшие годы у GPS появятся конкуренты, прежде всего европейский проект Galileo (его авторы планируют достичь оборота 1,8 млрд. долл. к 2010 г. и 3,6 млрд. - к 2020-му). Правда, пока развитие Galileo находится под вопросом: США оказывают на Евросоюз сильное давление, мотивируя свои претензии к конкуренту возможностью пересечения частотных зон.
Практически все прикладные системы локальной автономной навигации также основаны на коммерческих решениях, которые создаются для нужд автопроизводителей (одометры) и авиаконструкторов (автопилоты). Рынок систем автомобильной навигации (САН) вырос с 1,7 млрд. долл. в 2001 г. до 4,7 млрд. в 2003-м. Примерно 1% от данной суммы приходится на специализированные навигационные чипы. При этом 60% продаж на рынке САН сосредоточено в Японии. В 2002 г. 50% всех новых автомобилей (2,5 млн. шт.) в Стране восходящего солнца выпускалось с предустановленной системой навигации, а всего такими системами оборудовано 10 млн. японских машин - треть парка легковых автомобилей в этой стране. Бытовые навигационные решения Японии можно считать мировым технологическим стандартом.
На США приходится 30% рынка САН. В 2000 г. там насчитывалось 2,1 млн. машин, оборудованных этими системами (около 100 моделей), а к 2006-му их число должно возрасти до 7,8 млн. Цена такой системы составляет 1-2 тыс. долл., но массовый покупатель пока готов платить за нее не более 500 долл. Европа занимает только 10%-ную долю рынка, но в 2003 г. интерес к нему вырос на 37%.
Типичная САН хранит обширные цифровые карты, автоматически загружая ту их часть, что соответствует местонахождению машины, показывает текущее ее положение вместе с множеством дополнительных подсказок, позволяет прокладывать и запоминать различные маршруты, отслеживать соответствие координат автомобиля заданным на карте границам движения. Более совершенные системы "научились", получая данные из полицейских БД, информировать водителей о загруженности дорожной сети и предлагать оптимальные пути объезда пробок.
В последние годы японские разработчики интенсивно дополняют свои САН детализированными цифровыми картами (это стало возможно благодаря использованию емких DVD-носителей), мультимедийными системами, информирующими о различных достопримечательностях на трассе, средствами голосового управления и системами машинного зрения. Построенные на этой основе роботы-водители уже довольно уверенно держат курс в плотном потоке машин на шоссе, правда, пока не умеют правильно парковаться.
Очень большой и перспективный рынок, развитие которого полезно и создателям автономных роботов, - это системы дистанционного отслеживания грузов (его объем в 2003 г. составил 3 млрд. долл.). Некоторые японские заводы развернули комплексы мобильных промышленных роботов, базой для которых служат готовые системы считывания сигналов RFID-радиометок и автоматического определения их местоположения. Аппараты, снабженные такими метками, получают информацию о своих координатах от внешнего комплекса слежения.
Рынок автопилотов в 2003 г. составил 710 млн. долл.
В сфере автоматической навигации ведется очень много интенсивных и хорошо финансируемых исследований, а разработчики ориентируются на самый высокий уровень качества и функциональную полноту.
Перспективы автоматической навигации
К 2010 г. большинство навигационных систем, применяемых в авиации, будут спутниковыми. Бортовой компьютер самолета сможет самостоятельно, по каналам цифровой связи, получать нужные сведения о своих координатах и при необходимости корректировать маршрут. Повысится устойчивость GPS-сигнала, он дополнится новыми данными, которые упростят определение точного местоположения и контроль корректности GPS-информации. Американские военные обещают, что новая версия GPS будет доступна большому числу целевых групп потребителей. Правда, в ходе развития этого комплекса придется модернизировать множество существующих бортовых систем.
Глобальные навигационные службы смогут также предоставлять доступ к единой метеорологической БД и к трехмерному ГИС-образу планеты. Наземные радарные системы постепенно отойдут в прошлое. А GPS-приемники заметно подешевеют и будут встраиваться в мобильные телефоны.
Вместе с тем появятся новые аналоги GPS (прежде всего европейский и, возможно, азиатский; не исключено дальнейшее совершенствование отечественной системы ГЛОНАСС) и усилятся проблемы с несовместимостью принимающей аппаратуры. Военным наверняка удастся задействовать глобальные спутниковые системы оптического и радарного слежения за движущимися объектами на поверхности Земли, которые намечено развернуть в следующем десятилетии. Поэтому будущие поколения бортовых средств навигации будут характеризоваться функциональным разнообразием и использовать множество различных источников данных и независимых технологий для определения координат, что, впрочем, только повысит итоговое качество навигации.
По мере удешевления GPS-приемников возрастет число интегрированных систем, сочетающих возможности GPS с инерционными навигационными решениями (последние активно применяются сегодня, в частности, в "умных" бомбах и торпедах). Лазерные и оптические гироскопы будут доступны по цене 1-5 тыс. долл., а стоимость вычислительных ресурсов для проведения необходимых расчетов постепенно снизится по мере удешевления встраиваемых микропроцессоров.
В последние годы наметилась тенденция к миниатюризации инерционных систем. Они создаются на базе MEMS- (микроэлектромеханических) технологий. Так, десять из двенадцати ведущих поставщиков инерционных систем навигации создают собственные MEMS-решения, а из существующих на рынке половина уже имеет приставку MEMS.
В начале 2004 г. стало известно о проекте крупнейшей австралийской научной организации CSIRO по созданию автономного вертолета Mantis из магниевого сплава длиной 1,5 м и массой 80 г, способного самостоятельно балансировать в воздухе и придерживаться заданного маршрута с использованием системы машинного зрения. До сих пор считалось крайне сложным обучить столь легкое устройство самостоятельным маневрам, но после двух лет испытаний такой аппарат удалось сделать с помощью инерционной MEMS-системы, построенной на принципе действия внутреннего уха человека.
Интерес к MEMS-навигации очень велик: на ее базе планируется создать, например, интеллектуальную одежду и специализированное обмундирование, чтобы работающие в опасных условиях люди могли ориентироваться в незнакомой обстановке. MEMS-решения хороши и тем, что в их основу заложены механические элементы, действие которых в отличие от электронных систем невозможно дистанционно подавить. В ближайшие годы цена компактного MEMS-гироскопа составит около 10 долл. В 2002 г. таких устройств было продано на сумму 279 млн. долл., а к 2007-му этот рынок вырастет до 396 млн. долл.
Прогресс локальной навигации роботов во многом будет определяться развитием систем машинного зрения (см. PC Week/RE, N 5/2004, c. 31). Но пока не появятся высокоэффективные решения, сохранится интерес к технологиям локальной навигации по сигналам внешних маяков. Эти маяки обретут интеллектуальные свойства и состыкуются с GPS-службой (первые эксперименты показали высокую результативность такого подхода).
Хорошо известные на рынке роботы и относительно дешевые наборы для их создания, предлагаемые фирмой Evolution Robotics (www.evolution.com), основываются на коммерчески доступных одометрах и системах машинного зрения. Решения, использующие более точные лазерные дальномеры, пока дороги (около 5 тыс. долл.).
В локальной навигации будут задействованы и так называемые дифференциальные методы GPS, расширяющие стандартный GPS-сервис с помощью дополнительного оборудования. Как уже говорилось, при развертывании наземных станций, местоположение которых точно известно, можно значительно повысить качество определения координат объектов. Такая станция сегодня обходится в 10-20 тыс. долл. Ее недостаток состоит в том, что она обслуживает навигационные нужды лишь в ограниченной области с известными координатами. В скором времени ожидается снижение цены типовой станции до 5 тыс. долл.
С помощью GPS можно определять координаты косвенными методами, не анализируя данные, доставленные GPS-сигналом, а просто интерпретируя изменение его фазы. В результате точность определения координат повышается до нескольких сантиметров. Однако данный метод поможет выявить только относительное изменение в положении такого GPS-приемника, а не его абсолютные координаты (что, впрочем, вполне удовлетворит создателей систем локальной навигации).
Технологии машинного зрения (включая "зрение" с помощью сонаров и лазеров), обработки сигналов глобальных навигационных систем типа GPS и ориентации по маякам считаются сегодня ключевыми в задачах навигации роботов.
Пакет для разработчиков
Желающим попрактиковаться в построении собственных систем навигации роботов можно порекомендовать Linux-набор разработчика Carmen (Carnegie Mellon Robot Navigation Toolkit, www-2.cs.cmu.edu/~carmen/index.html), созданный в университете Карнеги - Меллона и свободно доступный в исходных текстах. Предоставляемые в нем инструменты позволяют решать такие задачи, как планирование маршрута, обход препятствий, распознавание людей, формирование карты, определение местонахождения (на базе вероятностного алгоритма локализации Маркова), управление бортовыми датчиками (лазерными сканерами, GPS-приемниками и сонарами) и др. Carmen можно использовать с моделями роботов ATRV, ATRVjr и B21R фирмы iRobot; Pioneer I/ II фирмы ActivMedia, а также Technologies Scout и XR4000 фирмы Nomadic.
Вы занимаетесь созданием роботов? Расскажите о ваших проектах. Адрес автора: sbo@pcweek.ru.
