Давайте с вами направимся в начало 1960-х

Давайте с вами направимся в начало 1960-х. Человечество грезит космосом. Юрий Гагарин уже облетел Землю, а Джон Кеннеди пообещал отправить человека на Луну. В эти годы в лабораториях Стэнфордского университета рождается скромное, на первый взгляд, устройство: конструкция на четырёх велосипедных колёсах, напичканная проводами и с телекамерой вместо глаз. Её почти сразу назовут просто «Стэнфордская тележка». Никто тогда и представить не мог, что этот неуклюжий аппарат станет одним из прародителей будущих самоуправляемых автомобилей, роботов-курьеров и марсоходов.

Но изначально у тележки была другая, не менее грандиозная миссия — лунная. Учёные из NASA мечтали исследовать поверхность спутника с помощью дистанционно управляемых роверов. Казалось логичным: оператор на Земле смотрит на видео с Луны, с помощью джойстика объезжает камни и направляет аппарат к интересным объектам. Однако молодой инженер Джеймс Адамс, работавший над проектом «Проспектор» в JPL, решил проверить эту идею на практике. Он построил тележку, подключил к ней камеру и длинный-предлинный кабель, имитирующий задержку сигнала.

Результаты его исследования 1961 года оказались просто катастрофическими для комической сферы. Адамс доказал: при задержке сигнала в 2.5 секунды (столько нужно радиоволне, чтобы дойти до Луны и вернуться назад) оператор физически не может уверенно управлять аппаратом на скорости выше… 0.3 киломметра в час. Это медленнее, чем идёт пешеход. Любое резкое движение джойстика приводило к катастрофическому запаздыванию реакции: к тому моменту, как машина начинали поворачивать, она уже должна была бы врезаться в камень. Человеческий мозг не справлялся с такой «развязкой» во времени.

Казалось, проект лунного ровера зашёл в тупик. Но учёные нашли весьма остроумный обходной путь. Пол Брейстед, в 1963 году приделал к системе аналоговый компьютер-предсказатель. Это устройство, анализируя последние команды оператора, вычисляло, где окажется тележка через эти 2.5 секунды, и ставило яркую светящуюся точку прямо на экране телевизора. Теперь водитель видел не только настоящее, но и будущее положение машины. Это увеличило возможную скорость аж до 8 км/ч! Это был триумф инженерной мысли, но проблема фундаментального ограничения осталась: если на пути внезапно возникнет невидимое препятствие, расположенное ближе, чем расстояние, которое аппарат проедет за время задержки сигнала, столкновение будет неизбежно.

После этого тележка, выполнив свою «лунную» миссию, на несколько лет запылилась в углу лаборатории (в самом прямом смысле слова)

Её «вторая жизнь» началась в 1966 году, когда ею заинтересовался Стэнфордский Исследовательский Институт Искусственного Интеллекта (SAIL). Это было место, где царила почти магическая вера в силу зарождающихся компьютерных технологий. Руководитель лаборатории Лес Эрнест и легендарный учёный Джон Маккарти (человек, который придумал сам термин «искусственный интеллект») задались смелым вопросом: а что, если вообще убрать человека из цепи управления? Что, если заставить тележку самой видеть дорогу и принимать решения?

Звучало как фантастика. Компьютер, с которым работали учёные, обладал мощностью, несоизмеримо меньшей, чем современный смартфон. Он «думал» невероятно медленно. Но амбиции были огромными. Аспирант Род Шмидт взялся за эту задачу. Он заменил кабель на радиоуправление, получив для экспериментов специальную лицензию Федеральной комиссии по связи на вещание (да, у этого робота была собственная телевизионная частота!).

И ему это удалось. К 1971 году Стэнфордская тележка совершила свой первый настоящий подвиг. Она научилась следовать по белой линии, нарисованной на асфальте. Алгоритм был до смешного прост по современным меркам: камера, делающая один кадр в секунду (1 Гц), передавала грубое чёрно-белое изображение в компьютер. Тот искал в кадре контрастные края, пытался угадать, где будет линия в следующем кадре, и посылал команду на моторы. Она ехала со скоростью черепахи — около 1.3 км/ч, и любая тень, разрыв в линии или резкий поворот её сбивали. Но это было ЧУДО. Машина впервые принимала решения на основе того, что она «видела», а не по команде человека. Она была похожа на младенца, делающего первые неуверенные шаги, но это были шаги в абсолютно новую эру.

Однако настоящая битва за «зрение» роботу только предстояла. Белая линия в контролируемых условиях — это учебник для первого класса. Настоящий мир — территория теней, сложных форм, цветов и неожиданных препятствий.

Следующим рыцарем, бросившим вызов этой задаче, стал Ханс Моравек. Его имя навсегда будет связано со Стэнфордской тележкой. Его работа началась с катастрофы: в 1973 году тележка, управляемая вручную, сорвалась с пандуса и перевернулась, залив электронику едким электролитом из аккумуляторов. Казалось, это конец. Но Моравек, человек титанического упорства, её восстановил.

Он понял, что для навигации в реальном мире тележке нужно стереозрение, как у человека — способность оценивать глубину и расстояние. Но как его дать? В те годы не было компактных стереокамер. И тут на помощь пришла гениальная в своей простоте идея. Инженер Виктор Шейнман построил для камеры специальную «каретку» — слайдер. Тележка останавливалась, камера ехала по рельсу влево, делала снимок, затем ехала вправо и делала второй. Компьютер, сравнивая два изображения, пытался вычислить, где находятся предметы в пространстве. На это уходили десять-пятнадцать минут вычислений на один-единственный «взгляд».

К концу 1970-х Стэнфордская тележка превратилась в настоящий самодвижущийся аппарат. Её движение чередой дискретных действий: увидеть ? осмыслить ? решиться ? переместиться ? снова увидеть.

Главный испытательный полигон Моравека была обычная комната в лаборатории, хаотично заставленная стульями и ящиками. Это был её «дикий лес», её «пересечённая местность». Задача звучала просто: пересечь комнату из конца в конец, не врезавшись ни во что. Для человека — дело тридцати секунд. Для тележки с её пятнадцатиминутными «раздумьями» на каждый метр пути это превращалось в эпическую сагу.

В 1979 году она это сделала. Это достижение вошло в историю. Путешествие длиной около 20 метров заняло примерно пять часов. Представьте эту картину: день в лаборатории, люди занимаются своими делами, пьют кофе, а в углу неуклюжий механизм тихо совершает революцию. Раз в четверть часа он издаёт жужжание, его камера ползёт по рельсу, щёлкает, потом снова ползёт. И после долгой паузы раздаётся резкий звук моторчиков, и тележка дергается с места, проезжая ровно один метр, чтобы снова застыть в размышлениях о следующем шаге.

Это был триумф, но триумф, который одновременно показал пропасть между возможным и практичным. Моравек блестяще доказал принципиальную осуществимость автономной навигации по зрению в сложной среде. Но он также показал, что вычислительная мощность того времени — это узкое горлышко, делающее такие технологии немыслимыми для реального применения. Тележка была слепой и глупой большую часть своего времени.

После того, как в 1985 году лабораторию закрыли, Стэнфордская тележка, выполнив свою последнюю научную миссию, снова отправилась в забвение — на этот раз на семь лет. Её история могла бы закончиться на свалке или в подвале, как у многих экспериментальных установок. Но тут произошло нечто прекрасное.

В 1987 году её, как почётного ветерана, пригласили в «Компьютерный музей» в Бостоне. Она стала звездой «Театра Умных Машин» — интерактивной выставки, где старые роботы, подсвеченные софитами, двигались под музыку и голос диктора, рассказывающего об их подвигах. Бронзовый век робототехники обрёл своё место в истории. Из объекта исследования тележка превратилась в артефакт, символ упорства и дерзости первых шагов. После закрытия бостонского музея она переехала в Калифорнию, в крупнейший Компьютерный исторический музей в Маунтин-Вью, где и покоится по сей день, ожидая своего часа для новой экспозиции.

Наследие

Оно огромно и пронизывает наш мир. Работа Адамса и Брейстеда заложила основы теории дистанционного управления с задержками, критически важной не только для космоса (управление марсоходами, где задержка уже до 20 минут), но и для подводной робототехники и телемедицины. А главное — она показала фундаментальный предел человека-оператора, подтолкнув инженеров к идее полной автономности как единственному выходу.

Система «увидел-осмыслил-поехал», которую с таким трудом реализовали Шмидт и Моравек, стала краеугольным камнем для всех последующих автономных машин. Проблемы, над которыми они бились, — как выделить из изображения важные объекты, как отличить тень от ямы, как построить карту местности по отрывочным данным, — стали основными вопросами новой науки — Визуальная одновременная локализация и картография (SLAM).

Когда вы читаете о новом беспилотном такси или видите видео с марсохода, крадущегося среди камней, вспомните эту неуклюжую конструкцию на велосипедных колёсах. Вся современная индустрия автономного транспорта и мобильной робототехники выросла из тех долгих пауз, в которых она «размышляла», и тех смелых метров, которые она в итоге отваживалась проехать. Она была пионером, открывшим дорогу в мир, где машины начинают по-настоящему видеть и понимать пространство вокруг себя.

Источник: vk.com

Комментарии: