冥王星机器狗具有探测和探索隧道何识别物体能力

宾夕法尼亚州兰斯福德市，一个由宾夕法尼亚州幽灵机器人公司（Penn Spinoff Ghost Robotics）制造的长腿“狗”机器人在9号矿井中导航。这些机器人被设计用来探测背包和虚拟人员等文物，以模拟真实的地下搜救任务。

本年早些时候，宾夕法尼亚大学的一批学生、博士后和教职员工前往匹兹堡附近的一个实验矿，参加由国防高级研究计划局（DARPA）主办的第一轮地下（SubT）挑战赛。团队由Camillo J.Taylor领导，研究人员与宾夕法尼亚州的三产公司合作，建立了一个机器人团队来导航和探索未知的地下环境。

DARPA的挑战旨在激发对复杂问题的创新解决方案，SubT的目标是开发机器人，这些机器人可以被送到对人类来说太危险的地方，比如四个矿井之后的地铁隧道或工人被困的矿井。然后，这些机器人可以把它看到的情况报告给一个可以留在安全地点的人，并迅速做出处理。

宾夕法尼亚州地下隧道运营实验室团队（简称PLUTO，译称冥王星）的成员在具有挑战性的环境中与无人机合作过，但进入地下意味着需要另一种平台来承载重型设备，同时在狭窄的空间中航行。通过将Ghost RoboTIcs有腿的“狗”平台与Exyn技术无人机相结合，PLUTO结合了有腿系统的优势，将先前的专业领域结合在一起。

为了成功地穿越矿井，机器人需要能够看到周围的情况，这样他们可以避开障碍物，同时也可以与人类操作员分享他们看到的情况。每只狗都携带一个光探测和排序设备，该设备使用激光创建一个三维地图，立体RGB相机查看伪影，热相机检测热信号，以及一台机载计算机处理数据。

冥王星的机器人还需要有能力决定下一步要去哪里，识别人工物，并将信息传递给其他狗和矿井外的人类。博士生安东尼·考利（Anthony Cowley）开发的程序用于根据传感器采集的图像生成机器人的位置地图，而背包和手机等文物则使用博士生什里亚斯·希瓦库马尔开发的程序进行检测。

由于无线电波无法穿越厚厚的洞穴墙壁，地下通信尤其具有挑战性。由硕士生费尔南多·克拉德拉领导，冥王星的策略是创建一个“bucket brigade”系统，让机器人彼此共享数据。这样，如果一个机器人不能回到入口，它收集的数据仍然可以被其他狗传送到基站。

将所有这些能力结合在一起需要高度的自主性，以允许机器人在没有人类直接输入的情况下规划其探索策略。博士生伊恩·米勒领导了这项工作，并帮助确保所有传感器、硬件和算法协同工作。

今年早些时候，冥王星曾在宾夕法尼亚州兰斯福德的9号煤矿和博物馆以及科罗拉多矿业学院的实验矿呆过一段时间，观察它们的自动化系统在地下的表现。经过几个月的准备，在八月份的第一轮挑战赛中，他们在匹兹堡附近的一个试验矿与另外十支队伍进行了对决。

每个小组完成了两个地雷课程，并在每个课程中尝试了两次寻找物品，包括背包、手机、灭火器和虚拟人员，时间限制为一小时。没有一名队员被允许进入矿井，只有米勒被允许在收集数据时与机器人互动。

虽然他们的机器人没有发现希望的那么多的人造物，冥王星团队对这个系统在如此具有挑战性和未知环境中的表现感到满意。工作良好的组件包括狗如何探测和探索隧道，它们识别物体的能力，以及通过“bucket brigade”共享数据失灵的狗提供了几项检测，显示了它们的系统即使在个别机器人绊倒的情况下也是如何恢复的。

小组在SubT挑战赛的准备场地，

图源：Shrevas Shivakumar

同样在Ghost RoboTIcs公司工作的硕士生Adarsh Kulkarni说，他对这些狗的机械稳定性以及它们在多次摔倒后的表现感到满意。”“这是迄今为止我们运行机器人最困难的一次，也是他们所处的最恶劣环境。”

“他们每天都要挨打，第二天早上还在工作，”Shivakumar开玩笑的补充道。“这真是值得称赞。”尽管他们的一些设计已经过度适合9号机器人的挑战，包括为窄的、有纹理的墙壁设计的传感器，而SubT的墙壁更宽、更光滑，但经验直接向团队展示了设计用于未知环境的机器人是多么困难，是在新环境中测试机器人的难得机会。”“这与正常的学术工作流程有很大不同，”米勒说从一个算法到在一个你从未见过的地方工作的东西，是完全不同的问题。”

机器人技术中的这“最后10%”使自动化系统变得健壮可靠，这是一个挑战，通常是通过结合最先进的技术和实用的观点来解决的。有时这些系统本身并不新颖，但新颖之处在于它们在未经测试的环境中的实现新奇之处在于如何解决所有这些问题，使机器人在恶劣的环境中可靠工作。”

该团队仍在讨论他们未来几轮的SubT计划，下一轮将在2月份在城市环境中进行，这意味着更多的人造结构和形状，如锐角、平滑的墙壁和楼梯不管未来会发生什么，创造机器人并将其送入充满挑战的现实环境对于宾夕法尼亚大学和整个机器人技术领域的进步都是至关重要的，特别是对于未来，自动化系统可能承担从驾驶汽车到搜寻幸存者等一系列具有挑战性的任务。

宾夕法尼亚州通用机器人、自动化、传感和感知实验室的研究人员完全有能力应对这些挑战，这在一定程度上要归功于鼓励协作和交流的文化。”“这是我们灌输给每一个走进我们的设施，”泰勒说如果你不担心有一个项目只适合你的专业领域，如果你愿意对自己的想法有更广泛的了解，它会让你做更大的事情。”