2014. június: jegyzet, portré, tudomány, it, disszemináció, innováció, paragrafus, atomenergia, közlekedés, zöldkörnyezet, építés, robotika
2014. június 2.

Szerző:
B. Szabó Edina

Rajos magyar siker

Az Eötvös Loránd Tudományegyetem kutatócsoportjának kollektív robotikában elért sikeréről mindenki hallhatott, aki az elmúlt néhány hétben bármilyen hírfelületen tájékozódott. A fejlesztést nagy médiaérdeklődés övezte, mert amellett hogy szakmailag jelentős eredmény, a laikusok számára is rendkívül látványosan demonstrálható.


Az Európai Kutatási Tanács (European Research Council, ERC) által támogatott COLLMOT projekt az interdiszciplináris kategóriában öt évre 1,3 millió euró támogatásban részesült. A pályázatot Vicsek Tamás (képünkön) akadémikus (ELTE TTK, Biológiai Fizikai Tanszék) nyerte el, a Kopter Labor vezetésével kapcsolatos feladatokat pedig Vásárhelyi Gábor látja el. Nagy sikerként könyvelhető el, hogy az ERC a tizenöt legizgalmasabb kutatás között – egyedüli magyarként – említi a projektet. Ez a siker egyébként felkeltette a Nemzeti Közlekedési Hatóság figyelmét is, amely májusban kerekasztal-beszélgetésen foglalkozott a drónok mozgásának a légterekre, és ezáltal a szabályozás módosítására gyakorolt hatásáról.

A drón kifejezést alapvetően azokra a repülő eszközökre használják, amelyek pilóta nélkül, távvezérelve képesek feladatuk végrehajtására (UAV vagy UAS, Unmanned aerial vehicle/aircraft system). Kialakításuk általában a céltól függ, kvad- vagy akár oktokopter is megjelenhet a fejünk fölött. Bár a közvéleménynek először még mindig a katonai célú felhasználás jut eszébe, de amióta az Amazon online könyvkereskedés bejelentette, hogy tervei szerint 2015-ben már drónokkal szállíttatja ki a megrendelt könyveket, a Google drónépítő cégbe ruházott be, és amióta sok nagyszerű, drónok által készített videofelvételt láthattunk különböző városokról, élénkül irántuk az érdeklődés.

Amiben pedig az egész világon kiemelkedőt alkotott a magyar csoport, az nem más, mint a pilóta nélküli üzemmód eggyel magasabb szintre emelése: külső vezérlés nélkül, csoportban interaktív kommunikációt folytató, együttműködő rajt hoztak létre. A bioló­gia területéről mintául vett kollektív mozgás a korábbi fejlesztésekhez képest lehetővé teszi például a szabad térben mozgást, vagy az azonos magasságon repülést. A dróncsapat – akár egy, az ösztöneit követő madárraj – a beprogramozást követően képes szabályos együttmozgásra, miközben akár éppen saját tervüket számolják ki. Ebben természetesen nagy szerepe van az egyes gépek közötti gyors és akadálymentes kommunikációnak. Sokkal nehezebben megoldható kérdés volt ez, mint gondolnánk, hiszen a GPS vagy a koordi­nátákat közlő rádiójelek a nagy rádiózajban könnyen elvesznek. Ez pedig növelte például az összeütközés esélyét is, hiszen a jelküldés és a feldolgozás között eltelt idő nem volt elegendő a cselekvés pontos végrehajtásához. Ezt a problémát a reakcióidő csökkentésével sikerült megoldani.

Így ezek a drónok már képesek emberi irányítás nélkül repülni és rajként viselkedni a megfelelő utasítások szerint. A demonstráló videók tanúsága szerint tudnak kört formálni, „vezérgépet” követni, parancsra az alakzatot megbontani és visszarendeződni. Emellett még szép látványt is nyújtanak, érdemes megnézni akár a YouTube-on a „COLLMOT’s flying circles” rövid, de vidám bemutató filmet.

Nyolc egyedből álló drónraj a földön, repülés előtt. Egy raj röptetése bonyolult logisztikai feladat is egyben. A rendszer hatékony kihasználásához elengedhetetlen a párhuzamosított szoftverfrissítés, hibaellenőrzés vagy akár az akkumlátorok töltése

A fejlesztés sikere rövid idő alatt nagy médiaérdeklődést váltott ki a kutatócsoport munkája iránt. A fejlesztés és az egyelőre viszonylag szűken mért publikus információk – már ami a téma tudományos, laikus szemmel kevésbé érthető tényezőit illeti – egyéb kérdéseket is fölvetettek.

Ki a találmány tulajdonosa?
A találmány tulajdonosa az Európai Unió támogatásával az ELTE. A kiíró az egyetemmel köt szerződést, így jelen pillanatban minden az egyetemé, de a médiafigyelemnek köszönhetően érkezett egyenes megkeresés a kutatócsoporthoz is mind az állami, mind az üzleti szektorból.
Emellett örvendetes változás történt az elmúlt években, hiszen az ELTE PIK (Pályázati és Innovációs Központ) Antoni Györgyi igazgató vezetésével az üzleti szféra szemszögéből is figyeli a pályázati és kutatási területeket. Az egyetem tehát felismerte, hogy rendkívüli értékre tehet szert a falain belül folyó kutatás-fejlesztés „szabadon engedésével”, vagyis amellett, hogy nyilvánvaló, hogy a támogatásával, az eszközeivel és adottságaival érnek el sikereket a kutatói, nem akadályozza ezeknek az innovációs eredményeknek az üzleti sikerré válását. Egyértelmű, hogy a leendő hallgatók és oktatók szívesebben jelentkeznek olyan oktatási intézménybe, amelyik a projektjei utógondozását is támogatja, akár spin-off cégek létrehozásában, azok bemutatásában.
Vicsek Tamás ugyanakkor elmondta azt is, hogy meglepő módon nem akkora a nemzetközi érdeklődés, mint az megszokott egy-egy ilyen eredményt követően, illetve érdekes, hogy nagyobb a hazai érdeklődés, mint a nemzetközi. Ez valószínűleg azzal is magyarázható, hogy több országban folynak drónokkal kapcsolatos kutatások.

Vicsek Tamással ezekről beszélgettünk a gépek összeszerelésétől a felmerült kihívásokon, valamint a további fejlesztési lehetőségeken át a hazai oktatásban talán elinduló kedvező változásokig bezárólag.

Miből lesz a kvadrokopter, és mi történik, ha megsérül egy eszköz?
– Az alap négymotoros gép Németországból érkezik, már a tizenkettediket vásároltuk egy kis cégtől. Ez a vállalkozás Kínában készített alkatrészeket importál, majd megtervezi a gépeket, és kitben, vagyis összeszerelhető készletként értékesíti, mi pedig nagyjából 1000 eurós áron vásároljuk. Megérkezése után itt szereljük össze.
Ha egy alkatrész megsérül, eltörik, azt egyszerű e-mailes rendeléssel pótoljuk, és bankkártyás átutalással fizetünk. De van egy kicsi, félig hobbi 3D-s nyomtatónk, amelynek ára szintén 1000-1200 eurós nagyságrendű. Ezt tulajdonképpen az egyik kollégánk vette otthonra, viszont, ha nekünk éppen valami apróbb, törött műanyag alkatrészt kell pótolnunk, azon le tudjuk nyomtatni. Természetesen itthon is szerzünk be alkatrészeket. Ezek a gépek gyakran nem olyan simán szállnak le, mint ahogyan azt szeretnénk, ezért saját tervezésű lábak készülnek hozzájuk. Ezekhez szénszálas csöveket használunk, amelyeket a beszerzés után speciális tekercseléssel még jobban megerősítünk.
Ezt az egész kutatást egyébként úgy lehetett csak megvalósítani, hogy létrehoztunk egy igen komoly, több tízmillió forintos műszerezettségű elektronikai, valamint egy mechanikai laboratóriumot. Utóbbiban kicsi, hobbiszintű, de minőségi fém-, fa- és műanyag-megmunkáló eszközök vannak.

Ez kifejezetten erre a projektre jött létre?
– Igen, mivel ez a kvadrokopteres projekt egy elnyert nagy, összességében 1,3 millió eurós európai projekt része. Ebből konkrétan a kvadkopteres rajzási projektünk körülbelül 100-120 millió forint, ebben maga a fejlesztési folyamat nyilvánvalóan jóval költségesebb, mint az alkatrészek, eszközök beszerzése. Elég sokat kellett programoznunk, hiszen ezt a bizonyos alapgépet tovább kellett fejlesztenünk ahhoz, hogy egymással kommunikálni tudó koptereket készíthessünk. Például terveznünk kellett egy olyan integrált áramkörű lapocskát is, amelyre mindenféle érzékelők kerültek – nyomás-, hőmérséklet-, gyorsulásmérő mágneses iránytű –, ezeken kívül még egy rádió adó-vevő és egy komplett Linux számítógép is. Ez utóbbiból is van már persze miniatűr változat… Tulajdonképpen úgy néz ki, mint egy óriási chip, összességében viszont ez egy programozható számítógép, amelyikhez különféle formátumokban futnak be az adatok. Ezért aztán ezt a sok, a különféle érzékelőktől és a rádió adó-vevőtől bejövő információt külön még egy programmal kell feldolgozni. Ez adja meg például a pillanatnyi GPS koordinátákat az egyik kvadkopternek, majd a többiek szintén vissza az adónak, mindezt úgy, hogy az be is tudja azonosítani, hogy ezt a B-től, C-től vagy az F-től kapta. A rajban mindenki tud mindenkiről, de közben folyamatosan számolni kell azt is, hogy hogyan reagáljanak egymásra az egyéb adatok mellett, amelyeket tárolni, feldolgozni is kell.
Ez például eredményezhet időkésleltetést is… Annak ellenére tehát, hogy a rajunk messze-messze nem tud olyan gyönyörűen repülni, mint egy verébcsapat, vagy akár egy rovarcsapat, kicsit imbolyogva, kicsit inogva mozog, mégis céltudatosan végre tud hajtani egy előre meghatározott feladatot úgy, hogy közben a raj tagjai kommunikálnak is egymással.

Kopterraj a naplementében. Mivel a jelenlegi megoldásban a robotok GPS-t és vezeték nélküli kommunikációt használnak, az éjszaka sötétje nem akadályozza a repülést

A szép repülés helyett olyan nehézségeket kellett legyőzni, amelyek jelentős időt vettek igénybe. A fejlesztés természetesen azóta is tart, hogy publikáltunk – pontosabban megjelent egy online felületen a demonstráló videó, a kutatásról szóló szakmai cikk nyomtatásban még nem, csak egy preprint szerveren olvasható –, és drónjaink ma már sokkal jobban repülnek, mint akár három hónappal ezelőtt. Valójában amint megszületett az eredmény, publikálnunk kellett valamit, hiszen nagyon éles a verseny, és nem akartunk másodikok lenni. A postában ma is vannak folyamatosan érkező és megrendelés alatt álló, intézendő tennivalók. Ezek vagy a korábban megrendelt műszaki egységek azóta megjelent frissebb, olcsóbb változatai, vagy valami újat tudnak az eddigiekhez képest. Mondjuk, infravörösben látó kamera. A most is zajló fejlesztés valójában egyszerre a régi alkatrészek folyamatos lecserélése – ugyanúgy, mint egy biológiai szervezetnél, ami elhasználódik, az sejtszinten lecserélődik –, és az új megoldások beépítése. Ez sok részt érint azzal párhuzamosan, ahogy ezeknek az alkatrészeknek a kapacitása körülbelül évente, kétévente megduplázódik, és a minősége is ugrásszerűen javul.

Az érzékelők is saját fejlesztések?
– Nem, ezeket vásároljuk. Tulajdonképpen nagyon kell érteni ahhoz, hogy a világ összes online felületén „barangolva” – fejlesztő, modellező shopokban – a kutató megtalálja, hogy hol jelent meg új, jópofa, használható dolog. Ezek már sokadik generációs érzékelők. Arra kell gondolni, hogy mondjuk egy gyorsulásmérő, amely másodpercenként százszor ad gyorsulási adatot nagy pontossággal, ma már csak tizedgramm és tíz dollár. Sokszor van ezeken az oldalakon olyan paraméterekkel rendelkező új eszköz, amely mellé odaírják, hogy két hónap múlva már beszerezhető lesz. Egyszóval elképesztő versenyfutás van időben itt is, amit viszont nagyon élveznek a kutatásban részt vevő hallgatók.
A telefonok „okosodása” miatt amúgy is megfigyelhető a hihetetlen ütemű fejlődés, ezért fejlesztenek tovább folyamatosan majdnem minden újítást. A gyorsulásmérőt is onnan emelték ki, azért fejlesztették, hogy amikor az ember mozgatja a készüléket, akkor a kép átugorjon vízszintesbe… Ezeket az alkatrészeket ma már külön is árulják. Emellett az a sokéves tapasztalat, hogy ha az ember sok olyan kutatást végez, amihez felhasználhat valamilyen konvencionális termék számára kifejlesztett eszközt, akkor nagyon jól jár, hiszen ebben az esetben igen olcsó és jó dolgokhoz juthat. Viszont ha az ember egy biológiai laboratóriumi mikroszkóphoz szeretne mondjuk egy hasonló kapacitású kamerát venni, annak az ára 200 ezer és 2 millió forint között van. Nagyságrendekkel kerül többe, de hát a drága kutatásokhoz, a sztenderd kutatásokhoz nagyon sok pénz kell, és oda drága alkatrészeket is fejlesztenek ki. Mi ehhez a rendhagyó kutatáshoz fel tudjuk használni a tömegcikkekhez használatos alkatrészeket.

Kicsit garázskutatásnak tűnik ez…
– Igen, van benne ilyen jelleg.

A felhasználási terület jellemezhető így: „bárhol és bárki”, de gondolom, előbb-utóbb a piaci elvárásoknak kell megfelelniük, megrendeléseket kell teljesíteniük. Jelenleg kizárólag általános fejlesztést végeznek, vagy van már speciális, konkrét fejlesztési igény?
– Most a kettő között vagyunk valahol. Egyrészt van egy tipikus felhasználási területük a drónoknak, egy drónnak, amit mondjuk, kézzel vezérel valaki. A másik kérdés, ami a mi specialitásunk – hiszen drónokat, kvadkoptereket sokan készítenek –, a mi egyedülálló megoldásunk a csapatos drónok készítése, ami által extra felhasználási terület jött létre. Mi erre koncentrálunk, de azért az egyedieknek is állunk elébe.

Alakzatrepülés vizualizációja valós GPS nyomvonalak alapján. A sárga robot vezéregyed, amely meghatározott nyom­vonalon közlekedik. A piros robotok őt követik, miközben fölötte kör alakzatban forognak is

Nemrégiben például egy energiatranszportáló szervezetnél dolgozó szakember keresett meg. Visszaírtam, hogy nem gondolom, hogy sok közös lehet bennünk, mert mi drónrajokkal foglalkozunk. Közben megjelentek a szemeim előtt olajszállító hajók… de kiderült, hogy nem ilyen szállításról van szó. A cége most vezeti be azt, hogy a hatalmas villanypóznák – amelyek a mezők fölött úgy 100 mé­ter magasan vezetik a nagyfeszültségű áramot – fönti ellenőrzését drónokkal végzik. Sokkal olcsóbb, mint belegázolni a hegyoldalba egy 100 méteres létrával… hiszen a drón odarepül, körbejárja, lefilmezi, és már dokumentálja is az objektum minden részletét.
Mi jelenleg megpróbáljuk specifikusan megtalálni azokat az ökoló­giai felhasználási területeket, amelyek kifejezetten kollektív robotikai feladatok. Van néhány klasszikus, mint mondjuk egy felügyeleti rendszer, akár végigrepülve egy határ mentén, 20-30 drónnal.
Nekünk most a mezőgazdaság érdekes, folyik is ilyen irányú fejlesztés. Azt figyeljük, fejlesztjük, keressük, hogy megoldható-e, hogy húsz drón átfésül egy több száz hektáros mezőgazdasági területet, hogy valamilyen szempontból felmérje a termés állapotát. Egyébként persze úgy is meg lehet ezt oldani, hogy egy helikopter kering, emberekkel a fedélzetén, de az nyilván jóval drágább. Lelki szemeim előtt látom a kamiont, ahova be van téve 30-40 drón, közülük húsz folyamatosan a levegőben van, és amíg visszatérnek újratölteni, addig a másik húsz repül, így folyamatos a megfigyelés. A kedvenc jövőbeni megoldásom egy olyan problémára adott válasz, ami különösen Amerikában már nagy gondot okoz – ez a beporzás. Ott már most óriási probléma a méhek kihalása, mi pedig elvben be tudnánk porozni a szükséges területeket alacsonyan szálló, a növényzet kontúrjait követő drónrajjal. Ebben az esetben az, hogy húszan vannak, „csak” azt jelenti, hogy a folyamat huszadannyi ideig tart. De ez nagyon nagy különbség ám! Nem mindegy, hogy valami egy vagy húsz napig tart. Különösen, ha az időben változó dolgokról van szó. Tegyük fel: éppen július 5-én kell látni, hogy mindenhol megérett-e a termés. Akkor bizony azt aznap kell látni, viszont ehhez elég húsz drón. Vagy, ha eltéved valaki a hegyekben, akkor éjjel, infrakamerával viszonylag jól meg lehet találni. Itt megint nem mindegy, hogy egyetlen drón „molyol” a helyszínen napokon át, vagy ötven drón láncban, összehangolva keres, akár az emberi keresőlánc.

A videó publikálásakor még nem volt kamera a súly miatt…
– Igen, azóta ezen a téren is nagyot léptünk előre. A vizuális érzékelés fejlesztésének két lépcsője van. Az egyikben az eszközök nézni tudnak, a másikban néznek és látnak is. Nézésen azt értjük, hogy van rajtuk objektív és egy kis chip, és a vizuális adatokat elküldik rádióval az állomásra, ahol egy képernyőn mindezt látni lehet. Látás alatt azt értjük, hogy már ezek földolgozása is belép a folyamatba. A következő generációs drónok már látni fognak, látják majd egymást is. Így például, ha látják, hogy baj van a búzamezővel, odahívják a többieket, hogy ott készüljön egy részletesebb kép. Kicsit úgy, ahogy a madarak viselkednek, amikor élelemre vadásznak. Ha valamelyik talál valamit, odahívja a többieket is, közösen elfogyasztják, majd szétszélednek, és megint keresnek, és így tovább. Ez a játékelméletben bizonyíthatóan hatékonyabb módja az információ feltárásának, mint az, hogy egyenletesen pásztáznak.

Ez egyfajta alkalmazkodás a helyzethez?
– Igen. Egyébként most úgy tűnik, hogy a kamera súlya például már nem okoz problémát a felszerelésben, az adatmennyiség közvetítése körülbelül mostanában oldódik meg… Ha lehetek kicsit szerénytelen, elmondom, hogy amikor a pályázatot beadtuk, akkor ezekből még semmi nem volt kivitelezhető. Tudtam, hogy minderre öt-hat évem lesz, és úgy képzeltem, hogy a végére éppen meg lehet valósítani. És valóban, pont most járt le a kiírt időintervallum, és éppen meg is születtek az eredmények. Ezt a látás-nézés funkciót például a beadáskor még el sem tudtam képzelni. Ehhez képest, bár most még nincs teljesen kész, többé-kevésbé eljutottunk oda, hogy – egyrészt az érzékelés érzékenysége, másrészt a továbbítás intenzitása és a kódolás-dekódolás révén – a legújabb információsűrítési eljárások lehetővé teszik, hogy ha most kiküldünk tíz drónt, akkor tíz képernyőn láthatjuk, amit ők néznek.
Még ki sem mondom talán, és közben megvalósul a következő lépés is.•

 
Innotéka