Нечеловеческие гонки

Победитель гонки внедорожник 'Фольксваген-Туарег' из Стенфордского университета.

Рано утром 8 октября 2005 года в пустыне Мохаве (штат Невада), неподалеку от городка Примм, на старт вторых гонок «Большой кубок DARPA» вышли 23 претендента на победу. Их отобрали по результатам полуфинала, где участвовали 43 команды, в свою очередь, попавшие в полуфиналы из числа 195 первоначальных участников. Победитель этой уникальной гонки теперь займет почетное место в музее автомобильного концерна «Фольксваген».

Дело в том, что первое место в гонке, пройдя 211,8 км за 6 часов 53 минуты 58 секунд, занял внедорожник именно этой фирмы – «Туарег». Две с лишним сотни километров под палящим солнцем, осыпающиеся каменистые склоны, редкие кустики, пыль... Запутанный маршрут и два миллиона долларов победителю. Достойные условия для кого угодно.

Что ж так медленно ехал победитель: 30 км/час – это же просто смешно, скажете вы?

Уникальность ситуации в том, что в машинах не было водителей...

Точнее, водителем был компьютер, а еще точнее – несколько компьютеров. Это были вторые гонки автомобилей-роботов. В отличие от гонок прошлого года, в которых до финиша не доехал ни один автомобилей из 15 стартовавших (а лучший – проехал всего 11 километров), в этом году финишную черту пересекли пять машин.

Автомобили-роботы двигались совершенно самостоятельно без какого-либо вмешательства людей (даже по радио). По условиям соревнований за два часа до старта команды получали CD с маршрутом, который вводили в электронные мозги автомобилей-роботов. Важно подчеркнуть, что маршрут означал лишь общее направление, а с преодолением ям, скал, косогоров и всего прочего компьютер и машина должны были справляться самостоятельно. Вдобавок организаторами на трассе были разбросаны и искусственные препятствия.

Главным преимуществом новых машин, которое позволило им добраться до финиша, было «компьютерное зрение», точнее – существенное улучшение этого зрения. Кто-то скажет – баловство! Но вот несколько цифр: 24,3% автокатастроф в США происходят из-за простой невнимательности водителей, а 40% – из-за невнимательности, вызванной алкогольным опьянением. Если на каждую машину установить лазер, видеокамеру и компьютер, то вполне может быть, что удастся спасти больше молодых жизней, чем сегодня гибнут от рака!

Прежде конструкторы пытались построить компьютерное зрение на основе радаров или аналогичных систем, использующих отражение света, но с их помощью автомобиль мог замечать только самые крупные препятствия и никак не мог определить, где он едет. Опыт показал, что для решения этой проблемы необходимы видеокамеры, изображение с которых будет считываться и анализироваться в реальном времени.

Уже несколько лет назад разработчики программного обеспечения из корпорации Intel объявили о выпуске пакета исходных кодов программ для реализации стереоскопического компьютерного «зрения», вошедших в библиотеку Open Source Computer Vision Library (OpenCV). Особенно приятно отметить, что алгоритмы, реализованные в OpenCV, были созданы в Центре разработки корпорации Intel в Нижнем Новгороде. Эти алгоритмы были позднее использованы в технологии IPP (Intel╝Performance Primitives), разработанной в научно-исследовательских центрах Intel в Сарове и Нижнем Новгороде. И, наконец, программное обеспечение для автомобилей-роботов было создано с использованием Intel IPP и Intel Compilers. А компиляторы Intel создаются с участием российских специалистов, работающих в научно-исследовательских центрах Intel в Москве, Новосибирске и Сарове.

Рост быстродействия процессоров, снижение цен на видеокамеры и десятикратный рост пропускной способности захвата видео, например благодаря технологии USB2, создают возможность для выполнения алгоритмов компьютерного «зрения» в реальном времени на стандартных ПК.

Компьютерное зрение робота строится на сочетании сразу нескольких «органов зрения»: в процессоры современных компьютеров-водителей поступает информация не только с нескольких видеокамер, но и с нескольких лазерных дальномеров. Лазеры мгновенно определяют расстояние до более или менее крупных предметов на пути движения машины, и потом эти сведения используются при восстановлении картинки с видеокамер.

Координаты при движении автомобилей-роботов определялись с помощью GPS-приемников, окружающая обстановка обследовалась лазерными дальномерами, радарами, стереокамерами и системой монокулярного зрения. Информация о текущем положении сверялась с цифровой картой. У победителя это происходило в среднем 10 раз в секунду, а пиковые показатели достигали 100 раз – это самый высокий результат среди участников гонки, может быть, именно он и сыграл решающую роль в достижении победы.

Первые три места в этом испытании заняли автомобили-роботы, которых через труднопроходимую местность к победе вели компьютеры на базе процессоров Intel╝Pentium╝M и Intel╝Itanium╝2. После неудачного завершения первой гонки автомобилей-роботов в прошлом году инженеры Intel продолжили активно работать с командами из Стенфорда и из университета Карнеги–Меллона. В результате им удалось разработать компактные PCI-системы с невысоким энергопотреблением и высокой прочностью, которые и были установлены на трех машинах-победителях.

Ставший победителем гонки внедорожник «Фольксваген-Туарег» (из Стенфордского университета) и показавший второй результат автомобиль Sandstorm (из университета Карнеги–Меллона) использовали оптимизирующие библиотеки (IPP) и OpenCV. Именно эти библиотеки помогли обеим машинам преодолеть всю трассу. Члены команды Стенфорда отмечали, что они получили прирост производительности в 50% после перевода своего компьютерного кода на компиляторы Intel.

В бортовой системе лидера было задействовано шесть процессоров Pentium M с частотой 1,6 ГГц. Специальное внимание было уделено энергопотреблению, поскольку компьютеры питались от двигателя автомобиля. Пиковое потребление электроэнергии всеми компьютерами достигало 450 ватт.

«Фольксваген-Туарег» прошел дистанцию за 6 часов 53 минуты. На 11 минут от него отстал «Хаммер» SandStorm, а третьим призером стал «H1ghlander» (также автомобиль из университета Карнеги–Меллона, построенный на основе «Хаммера»), его время – 7 часов и 14 минут. Спустя 16 минут после финиша «H1ghlander’а» четвертой финишировала машина Gray Bot компании Gray Insurance, разработанная на основе автомобиля Ford Escape. Пятым стал 16-тонный грузовик-робот TerraMax, который построила американская корпорация Oshkosh Truck, специализирующаяся на военных грузовиках, пожарных машинах и подобной спецтехнике. Он прошел весь маршрут, но не уложился в требуемые 10 часов – проехал трассу за 12 часов 51 минуту. Еще несколько машин сошли с дистанции на середине пути, а большая часть их не смогла преодолеть и первую его четверть.

Интересно, когда автомобили-роботы смогут участвовать в гонках «Формулы-1» и какие процессоры для этого потребуются?