Беспилотный форсаж. Челябинские ученые придумали систему безопасности авто без водителя

О перспективах беспилотного транспорта, его электронном «интеллекте» и роботизации — наш разговор с одним из разработчиков машины будущего, аспирантом автотракторного факультета ЮУрГУ Александром Алюковым.

Шаттл-такси в смартфоне

— Еще недавно автомобиль на автопилоте был лишь плодом воображения фантастов… А сегодня?

— В Германии и американской Калифорнии по автобанам ездят грузовики без участия водителя. И в России подвижки есть. Между Казанью и Набережными Челнами строится скоростная магистраль для беспилотного транспорта, а  КамАЗ получил госзаказ на создание к 2020 году беспилотного грузового автомобиля. В компании «Волгабас» под эгидой Сколково проектируют… беспилотный автобус, его выпуск запланирован на 2018 год. Он первым в мире выйдет в городской поток, будет работать как шаттл-такси с возможностью вызова через смартфон. А «Ростсельмаш» разрабатывает комбайн на автопилоте. Прорывные ноу-хау появились и в проектировании беспилотных летательных аппаратов.

— Новинки беспилотного транспорта произвели фурор на прошедшем в Москве научно-техническом форуме AeroNet‑2016. А челябинские ученые тоже приложили руку к созданию интеллектуальных машин?

— Это так. Например, я в составе творческой группы ученых ЮУрГУ под руководством профессора Олега Разнополова разрабатывал электронную начинку беспилотного летательного аппарата, способного самостоятельно вести аэроразведку, выполнять другие непростые задачи. В нашем университете запущен совместный проект с минсельхозом области по использованию беспилотников для отслеживания урожайности полей. По этим данным, с использованием геоинформационных технологий, можно легко определить урожайный ресурс почв, выяснить, каких удобрений им не хватает.

И на земле, и в небе

— Какую реальную пользу могут принести беспилотники?

— Мне довелось поработать над созданием электромобиля на автопилоте в паре с беспилотным летательным аппаратом по заказу каменск-уральского оборонного завода «Октябрь». Эта машина с БПЛА на борту может стать незаменимой при охране границы, в военных, контртеррористических операциях. Она без присутствия человека будет приезжать в заданную точку и отслеживать разведывательный полет беспилотника. Причем мы сконструировали электромобиль с двумя электромоторами в колесах и большим запасом хода на литиево-полимерных аккумуляторах. Перед нами стояла непростая задача — создать программу навигации и согласованного движения наземно-воздушной двойки в автоматическом режиме. Мы выработали ее компьютерную модель, был построен опытный образец. Программирование беспилотников стало темой моей дипломной работы.

И это не единственный такой пример — сейчас умельцы автотракторного факультета ЮУрГУ строят электромобиль для ралли SAE «Формула студент». Авторы проекта первого российского гоночного электроболида вошли в число победителей проходившего в этом году в Челябинске конкурса инноваций «Startup Сколково».

Безопасный «е-КамАЗ»

— В рамках федеральной программы перевода транспорта на альтернативное топливо вы участвовали в совместном проекте ЮУрГУ и КамАЗа по созданию грузового электромобиля завтрашнего дня…

— Ученые ЮУрГУ под руководством профессора Андрея Келлера совместно с инженерами КамАЗа в этом году разработали инновационное зарядное устройство для грузовых электромобилей, выпуск которых запланирован на 2020 год. Это зарядное устройство позволит за считанные минуты заряжать 200 литий-ионных аккумуляторов электромобиля. По задумке в перспективе он тоже будет в беспилотном варианте.

На первом курсе аспирантуры я тоже участвовал в этом масштабном проекте — разрабатывал автоматическую систему распределения мощности электромобиля. Ее главный плюс — безопасность. Сегодня, если колесо машины увязло в яме, оно будет вращаться с удвоенной скоростью, и есть опасность опрокидывания, гибели человека. А мы создали систему автоблокировки дифференциала, которая с помощью умной электроники застопорит увязшее колесо, а другие вытянут его из «ловушки». Для этого разработали компьютерную модель движения такого КамАЗа, его электроники и автоматики. На октябрь этого года запланированы полевые испытания…

К слову, в рамках КамАЗовского проекта мы занимаемся и моделированием электронных схем, нейронных сетей, создавая систему, которая сможет самообучаться. Грузовик на автопилоте будет ездить по одной дороге — от карьера до «террикона». У него будут чуткие датчики, и если он «почувствует» неровность, то запишет в память и примет защитные меры.

Защитить руки робота

— Вы недавно вернулись из Испании, где продолжали эти исследования…

— В прошлом году в рамках международной научно-образовательной программы Eranet Plus я получил грант на проведение исследований в Политехническом институте Каталонии, в Барселоне. С профессорами этого вуза Раулем Суаресом, Джорди Мартинезом и Антонией Сантос мы занимались программированием роботов — это своего рода логическое продолжение автопилотного проекта. Причем авторобот не только самостоятельно передвигается, но умеет много чего еще — с высочайшей точностью ставит детали, грузы… Составляя математическую модель его движения, мы применяли новейшие программы Matlab и Simulink. Добавлю, что эти умные машины во многом заменяют человека  и не только на производстве. К примеру, мне довелось поиграть с «железным человеком» в шахматы…

— Но, видимо, у железных истуканов есть и ахиллесова пята?

— Механические «руки»-манипуляторы (в их суставах установлены электромоторы) смонтированы на платформах с колесами необычной сферической формы. Это им дает повышенную маневренность, но есть и свой минус — высокая вибрация. Амплитуда колебаний «рук»— до 8 сантиметров! Это чревато их быстрым износом, сбоями в работе.

Мы нашли выход — поставить умные виброизоляторы с изменением свойств электромагнитного поля. Разработали математическую модель защиты от вибрационных частот, и испытания показали ее выгоды. Есть задумка и создать активную систему, когда изоляторы в ходе движения будут менять свою форму, поглощая колебания при наезде на препятствие.

Собрать в стаю

— А теперь  снова в Европы?

— На сей раз в Германию. Я получил грант на исследования в рамках международной академической программы DAAD, и в октябре начнется моя стажировка в немецком Технологическом институте города Карлсруэ. Главная тема — модернизация системы амортизации автомобиля. Дело в том, что она может быть как мягкой (в комфортабельных авто), так и жесткой. Последняя более управляема и безопасна, но неудобна при езде. Как найти золотую середину? Мы нашли решение — это так называемые адаптивные амортизаторы, меняющие конфигурацию в процессе езды. Если на пути встретится препятствие, комфортный автомобиль превращается в вездеход.

К примеру, такая система есть у новых «мерседесов» — они видят дорожные ямы с помощью видеокамер. Но мы предложили другое решение, более приемлемое, в частности, для беспилотных авто — установить датчики частоты вращения колес, акселерометры, гироскопы. Инновационная адаптивная подвеска (это ноу-хау моего научного руководителя профессора Анатолия Дубровского) не даст автомобилю перевернуться, предотвратит аварии на дорогах. Нами разработаны и другие придумки — это антипробуксовочная система, стабилизации курсовой устойчивости (она предотвращает заносы авто)… Все они — составляющие разработанной нашей творческой группой системы активной безопасности «умного автомобиля». Это и стало темой моей будущей кандидатской диссертации.

— Но, видимо, для беспилотной машины имеет смысл многое взять из природы?

— Над этим мы уже работаем. К примеру, для управления «эскадрильей» беспилотных летательных аппаратов есть резон позаимствовать у природы стайный принцип: за «вожаком» стаи будут лететь другие квадрокоптеры… По схожей схеме будут ехать и колонны авто: впереди «лидер» с электронным автопилотом, а следом «ведомые». Спектр применения этой системы практически безграничен: с ее помощью можно будет управлять и движением железнодорожных составов, поездов метро, морских судов, подводных лодок… Мы пока только «на подходе» к масштабной компьютеризации управления транспортом, но я уверен: перевод его на электронный «беспилотный режим» — лишь вопрос времени.