Большинство современных роботизированных устройств ориентируется в пространстве благодаря GPS. Но французские инженеры из Национального центра научных исследований Франции и Университета Экс-Марсель уверены, что существует более удобная система навигации, которая, будучи не менее точной, не требует сложной обработки данных. Это «солнечный компас», которым пользуются пустынные муравьи.
Ученые поясняют, что эти удивительные создания способны преодолевать сотни метров в поисках пищи, а затем возвращаться в свои гнезда, не сбившись с пути. Секрет их необыкновенного навигационного таланта заключается в том, что их глаза имеют специальные клетки, обнаруживающие поляризованный свет. Они помогают муравьям определять направление движения «по небу», ориентируясь на высоту солнца над горизонтом (поляризация рассеянного излучения зависит от времени суток).
«Представьте, что на небе есть линии, расположение которых меняется в зависимости от положения солнца. Это своеобразная карта, которую муравей использует для корректировки курса», — говорит биоробототехник Стефан Виолле из Университета Экс-Марсель.
Вдобавок пустынные муравьи способны оценивать пройденное расстояние. Для этого они подсчитывают количество сделанных шагов и учитывают собственную скорость движения (ее насекомые «определяют» по оптическому потоку — скорости движения поверхности относительно сетчатки).
Объединяя информацию о расстоянии и направлении, муравьи возвращаются в гнезда, причем делают это по кратчайшему пути, используя метод интегрирования по траектории.
Французские инженеры решили попробовать наделить робота такими же способностями. С этой целью они создали AntBot — двухкилограммового гексабота, оборудованного рядом датчиков, показания которых собираются в одноплатном компьютере Raspberry Pi.
В качестве солнечного компаса робот использует пару ультрафиолетовых сенсоров, а также поляризаторов, вращение которых позволяет установить распределение поляризации падающего света по небу. С их помощью «робомуравей» определяет направление движения.
Также AntBot оснащен датчиком оптического потока, состоящем из двух рядов по шесть гексагональных пикселей. Изучая задержку появления изображения на двух соседних пикселях, устройство рассчитывает оптический поток.
Помимо этого, робот может запоминать количество сделанных шагов и контролировать скорость передвижения.
В качестве экспериментальной площадки авторы подготовили пол с текстурированной поверхностью. Сначала робот двигался по ней по случайной кривой, доходя до края площадки, а затем возвращался в исходную позицию, останавливаясь несколько раз для пересчета направления и расстояния с учетом новых данных. В ходе исследования инженеры проверили пять различных алгоритмов, использующих один или несколько компонентов муравьиной навигации.
Эксперименты показали, что Antbot, как и пустынные муравьи, способен исследовать окружающую среду и без проблем самостоятельно возвращаться на свою базу. Удаляясь от нее на расстояние от 5 до 14 метров, он каждый раз находил «дом» кратчайшей дорогой вне зависимости от сложности пройденного пути (иногда с погрешностью всего в несколько сантиметров).
Инженеры отмечают, что роботы, оснащенные солнечным компасом, смогут передвигаться в условиях, неблагоприятных для существующих решений, и будут более эффективны при проведении спасательных операций в районах стихийных бедствий, а также при изучении мест, где недоступен сигнал GPS.
В дальнейшем специалисты намерены усовершенствовать навигационную систему, чтобы AntBot мог ориентироваться в пространстве при плохой погоде, под покровом деревьев и даже ночью (муравьи, к примеру, в отсутствие солнца калибруют навигационную систему по геомагнитному полю Земли).
Источник: N+1
- Разработка подробно описывается в статье, опубликованной в журнале Science Robotics.