Na miestach, ktoré nepoznáme použijeme na zistenie svojej polohy GPS. Ale čo v prípadoch kde nie je GPS? V rámci projektu SENAV hľadáme inovatívne spôsoby lokalizácie a tvorby máp na miestach, kde nie je dostupný systém GPS.

GPS poskytuje navigáciu

Globálny pozičný systém, ktorý poznáme pod skratkou GPS revolučne zmenil svet dopravy. Dnes je už takmer nemysliteľné mať na volante položenú papierovú mapu či zapájať do navigácie svoju vlastnú hlavu. Máme na to technológiu, ktorá dokáže veľmi presne určiť našu aktuálnu polohu na základe polohy zariadení (satelitov) nachádzajúcich sa na obežnej dráhe Zeme.

Systém GPS dokáže veľmi presne zmerať našu vzdialenosť od týchto satelitov a následne pomocou triangulácie vypočítať našu presnú polohu. Táto technológia umožnila vznik navigácie ako ju poznáme v moderných autách a telefónoch. Navigácia znamená určenie polohy a rýchlosti vozidla v danom čase, ako aj jeho polohy.

💡 GPS je iba jeden z existujúcich globálnych navigačných satelitných systémov (GNSS). Tento americký systém bol prvý, a preto si ľudia iné podobné systémy príliš nepamätajú. Prvý satelit systému GPS bol vyslaný na obežnú dráhu 22. februára 1978. Ďalší, v časovom slede, vznikol ruský systém GLONAS (prvý štart satelitu 12. október 1982 ), čínsky BEIDOU (prvý štart satelitu 31. október 2000 ) a nakoniec náš európsky systém Galileo (prvý štart satelitu 21. október 2011). Moderné navigačné čipy vedia prijímať signály zo všetkých navigačných systémov, čo zvyšuje presnosť určovania polohy.

GPS funguje pokiaľ sa nachádzate v priamej viditeľnosti aspoň štyroch satelitov, preto sa niekedy stáva, že Vám v lese navigácia miestami vypadne. Veľký problém pre GPS sú budovy. Strecha a steny dokážu znemožniť použitie GPS práve preto, lebo nevidíme na oblohu, kde sa satelity nachádzajú.

Navigácia v telefóne alebo aute neposkytuje len navigáciu, ale aj navádzanie. Navádzanie sa vzťahuje na určenie požadovanej dráhy jazdy ("trajektórie") z aktuálnej polohy vozidla do určeného cieľa, ako aj požadovaných zmien rýchlosti, rotácie a zrýchlenia pri sledovaní tejto dráhy. Úprimne povedané, navigačné systémy by sme mali nazývať navigačné a navádzacie systémy.

Autopilot – autonómne riadenie

Moderné koncepty autonómnej jazdy riadia pohyb vozidla na základe znalosti presnej polohy a miesta, kam má vozidlo ísť. Určenie polohy pre autopilota v drvivej väčšine prípadov zabezpečuje systém GPS. Aby autopilot fungoval, potrebuje ešte jeden zásadný prvok - presnú mapu prostredia, v ktorom sa potrebuje pohybovať. Táto mapa je integrovaná do samotného systému autopilota a môže sa podľa potreby aktualizovať zo vzdialeného servera cez internet.

Navigácia v neznámom teréne bez podpory GPS

Čo ale v prípade, ak nemáme k dispozícii GPS a ani žiadne mapy? Dá sa v takom prípade autonómne riadiť? Odpoveď na túto otázku ponúkajú moderné metódy simultánnej lokalizácie a mapovania známe pod skratkou SLAM (Simultaneous Localisation and Mapping), ktoré zvládajú lokalizáciu a tvorbu mapy za pomoci rôznych senzorov. Tým v tomto prípade môže byť napríklad radar, laser, alebo kamera. SLAM v reálnom čase vyhodnocuje všetky vstupy z dostupných senzorov a „za jazdy“ si tvorí svoje vlastné trojrozmerné mapy. Senzory umožňujú systému SLAM veľmi presne zmapovať terén a zaznamenať všetky väčšie objekty, ktoré môžu pre pohybujúce sa vozidlo predstavovať potenciálne prekážky a je potrebné sa im vyhnúť.

Projekt SENAV

Projekt SENAV - Smart Space Exploration Navigation (Inteligentná navigácia na prieskum vesmíru), na ktorom spolupracujeme, má za cieľ umožniť využitie prelomových technológií a vedeckého prístrojového vybavenia na vesmírnu vedu a prieskumné misie. SENAV sa zameriava na optickú navigáciu pre orbitery, landery, drony a roboty a úlohou M2M Solutions bude hlavne implementácia viacerých metód SLAM a všestranného autopilota schopného riadiť všetky spomínané zariadenia. Práca nášho konzorcia spočíva v zdokonaľovaní inteligentných algoritmov, optimalizovaní softvérových riešení a miniaturizácii hardvérových modulov, overených prostredníctvom testu v laboratórnom prostredí.

Základnou jednotkou navigačnej jednotky používanou na spustenie SLAM, ktorú v projekte vyvíjame je payload procesor. Na vyhodnotenie našich základných technológií použijeme hardvér dostupný v bežných obchodoch, čím sa vyhneme prehnaným nákladom a dlhým dodacím lehotám. Okrem toho nám to umožní znovupoužiť vyvinuté technológie a produkty aj v aplikáciách na Zemi, napríklad pri správe skladov, či lokalizácii vo vnútri budov.

Na porovnanie, procesor použitý v najnovšom roveri NASA Perseverance, ktorý sa pohybuje na Marse, má závratnú cenu 200 000 USD. Tento procesor, PowerPC 750, pochádza z počítača iMac G3 z roku 1998 a pracuje ako jednojadrový procesor s frekvenciou 233 MHz - rýchlosť, ktorá je v porovnaní s dnešnými smartfónmi veľmi nízka. Tie sú najmenej desaťkrát rýchlejšie.

Táto cena má však niekoľko dôvodov - predovšetkým prispôsobenie sa drsným podmienkam vesmírneho prostredia, pýši sa odolnosťou voči teplotám od -55 do 125 stupňov Celzia a robustnou odolnosťou voči kozmickému žiareniu, v ktorom by moderný smartfón prežil len veľmi krátko.

Aktuálne v projekte SENAV testujeme správanie SLAM algoritmov v simulátore. Simulátor obsahuje povrch Marsu, ktorý bol vytvorený na základe už existujúcich a dostupných fotografií marťanského terénu. Dron pripojený k simulátoru lieta vo virtuálnom svete nad týmto simulovaným povrchom Marsu a počas svojho preletu vytvára mapu. Týmto spôsobom testujeme presnosť odhadu polohy. Presnosť závisí od presnosti pripojených snímačov a ich jednotlivých typov meraní, od samotného SLAM algoritmu, ako aj od prostredia, v ktorom sa pohybuje. Náš súbor senzorov pozostáva z IMU na meranie zmien, lasera na meranie vzdialenosti a kamery. Iteratívny vývoj a testovanie je dôležité, pretože na začiatku, po odpojení signálu GPS, sme nedokázali s dronom v simulátore udržať ani stabilnú polohu (Hovering). Teraz sme vyvinuli stabilný operačný systém.

Na fotkách sú mapy vytvorené dronom.

Je skvelé veci najskôr simulovať, lebo umožnia spustiť za deň aj niekoľko desiatok letov. Ani spadnutý dron nie je žiadna tragédia, lebo po reštarte simulácie funguje opäť ako nový. Najnáročnejšou časťou je simulácia obrazu, ktorý vkladáme dronovi do "mysle" dronu vo virtuálnej matici, aby skutočne uveril, že letí na Mars. Aj my sa tam tým pádom spolu s ním dostaneme aspoň v myšlienkach, podaktorí kolegovia dokonca aj na niekoľko hodín denne. Povieme Vám je to skvelý pocit bádať tam, kde ešte nikto nebol.

Technológiu lokalizácie následne dokážeme využiť na Zemi, v skladoch, v ktorých rovnako ako vo vesmíre nie je signál GPS.

Na záver si pozrite reálne video zo simulátora, ktoré zobrazuje vytvorenie mapy pri skúmaní terénu Marsu dronom. Tento podmanivý záznam, ktorý bol prezentovaný aj na výstave Drontex 2023 a uvedený v programe Spektrum 24 televízie JOJ 24, ponúka pohľad do vzrušujúcej budúcnosti výskumu vesmíru na ktorej sa aj my podieľame.

Spôsob vytvárania mapy pri prelete drona simulovaným terénom Marsu