Malé bezpilotní robotické letouny pomáhají tam, kam nemůže člověk

Proč jste si vybral toto téma? Čím je tak zajímavé?

Hlavním účelem malých leteckých robotů, o kterých je oceněná práce, je nahradit práci člověka tam, kde je to pro něj nebezpečné, nepraktické nebo výrazně časově náročné. Praktické použití autonomních bezpilotních letounů (UAV) je ale velmi složité a často i přímo nemožné v prostředích například bez satelitního signálu a se špatnou viditelností. Může se jednat o prostředí, kde je jednoduše úplná tma, kde se vyskytují hustá prachová mračna anebo kde naopak chybí jakékoliv vizuální a geometrické struktury, podle kterých se mohou roboty orientovat. Pro robotické vnímání jsou pak taková prostředí velkou výzvou.

Jak jste se k dronům dostal? Byl to váš koníček?

Koníčekspíš ne, aleje pravda, že první jednoduchý dron jsem si postavil už když jsem byl na střední škole. To bylo v době, kdy drony ještě nebyly tak masově na trhu. Postavil jsem ho z materiálů, které jsem si koupil v hobby marketech, a můj dron toho neuměl víc, než se jen udržet ve vzduchu. Tehdy jsem o dronech skoro nic nevěděl, ale hrozně mě bavilo si s ním hrát. Moc velký úspěch ale ten dron neměl a nakonec jsem ho i rozbil. Ale lítal!

Velký boom dronů nastal až  kolem roku 2014, kdy jsem začínal studovat na ČVUT v Praze. Během bakalářského studia jsem se dostal ke skupině Multirobotických systémů, která funguje na Katedře kybernetiky FEL. Zabývali se něčím, co pro mě v té době bylo zcela nové – teoretickým výzkumem se zaměřením na automatické řízení dronů. To je vlastně hrozně složitá věc a proto také boom dronů přišel až tak pozdě. Vícerotorové helikoptéry, se kterými pracujeme my, jsou dynamicky nestabilní. Aby vůbec byly schopné vzletět a držet se na vzduchu, je nutné rychle a trvale korigovat veškerou motoriku na palubě. Rychle znamená třeba až 100x za sekundu. Je to těžký technologický problém, jehož spolehlivá řešení se začala objevovat právě v této době.

Pro tento obor jsem se doslova nadchnul, protože jeho aplikovatelnost je široká a obsahuje spoustu zajímavých vědeckých i inženýrských témat. Je to skutečný průnik elektrotechniky, mechaniky, fyziky, matematiky, … Navíc, tento obor je stále v plenkách a bezpochyby má velký potenciál. Přišlo mi zajímavé být na počátku vzniku nového odvětví a pomoct ho rozvíjet.

Překotný boom dronů v dnešní době asi dost lidí překvapil. Jak to vidíte s dalším vývojem tohoto oboru? Budou opravdu za nedlouho drony létat všude kolem nás?

Tento futuristický obrázek je pěkný, ale já si nemyslím, že by v příštích pěti ani deseti letech něco takového nastalo. Má to víc důvodů. Jednak to jsou důvody technologické, které jsou spojeny se spolehlivostí těchto strojů. A má to i důvody legislativní. Současná situace je taková, že nás v oblasti vzdušné mobility legislativa spíš brzdí. Zkušenost ukazuje, že legislativa má typicky 4-5 let zpoždění za technologiemi. Pomalu zavádíme evropskou legislativu, která vešla v platnost před pár lety a která definuje stupně autonomie, které roboty mohou mít, aby dostaly povolení létat. Na ty nejvyšší stupně, kdy je robot plně autonomní, tzn. nikdo ho neřídí, nikdo ho nemůže převzít v režimu manuálního řízení, ještě nejsme připraveni vůbec.

Bavíme se o dronech, nicméně vy spíš používáte výraz „létající autonomní roboty“ anebo „bezpilostní letouny“. Je to to stejné? Jsou to synonyma?

Není a nejsou. Pro většinu lidí asi ano, nicméně my se snažíme šířit osvětu, kterou jsme si ale dost možná vymysleli sami. Dron je pro nás to, co si můžete koupit na trhu pro vlastní potřebu. Je to tedy nějaký stroj, který si uživatel sám ovládá. Dnes jsou drony hodně spojovány s válkou na Ukrajině, kde se ukázalo, že tyto prostředky mají nesmírnou hodnotu pro získávání informací, ale bohužel i pro boj. My se snažíme od člověkem řízených dronů odlišit, proto používáme pojem „autonomní robot“. Náš stroj sice vypadá stejně, také k němu můžete mít vysílačku (i když ji nemusíte mít vždycky) a nějakou palubní senzoriku, nicméně tato senzorika se významně liší od té, jakou mají drony koupené na trhu. Naše roboty používají tuto senzoriku k tomu, aby se samy orientovaly a pohybovaly v prostoru. Oproti běžným dronům toho naši roboti umí mnohem víc než pouze létat a fotit – zvládnou samostatně pracovat bez pilota a s vhodnými palubními senzory sami například najdou zdroj radioaktivního záření, ochrání letový prostor, zmapují podzemní prostory, spočítají počet palet ve skladu nebo detekují nebezpečné defekty na kovových konstrukcích.Zabýváme se výhradně civilními aplikacemi – zaměřujeme se namísta, kde se létající roboti mohou autonomně pohybovat a vykonávat tam nějakou prospěšnou práci, která lidem pomáhá anebo nahrazuje jejich práci, např. v nebezpečných prostředích.

Ve své práci, za kterou jste byl oceněn, jste řešil orientaci létajících robotů v prostředí s různými degradacemi. Zaměřoval jste se na některé konkrétní, nebo to bylo pojato obecně?

Bylo to spíš konkrétní. Já jsem vlastně začal svůj doktorát z druhé strany. Měl jsem už za sebou poměrně hodně zkušeností s aplikacemi robotů v praxi a z té praxe vyplynulo, že roboti mohou spolehlivě a autonomně dělat svoji práci jen v ideálních podmínkách. Ty jsou ale, speciálně v průmyslovém prostředí, málokdy dosažitelné. Praxe nám ukázala, že je několik nejčastějších vlivů, které autonomii degradují. Pokud jsou přítomny, často nejsme vůbec schopni létat, tedy ani operovat. Velmi častým problémem je let v prachových mračnech, se kterými se setkáváme v mnoha různých situacích. Může to být v historických budovách – v kostelech a v katedrálách, ale i v průmyslových halách, kde máte spoustu trubek, různých říms apod.  Na všech těchto prvcích se po léta usazuje prach. Jakmile do takového prostředí vletíte s robotem, prach zvíříte a vytvoříte prachová mračna, která robota obklopí. Pokud má robot vnímání založené na kameře, dostává se do těžkého problému.

Jakým způsobem se vám podařilo tento problém vyřešit?

Tak, že jsme kamery nahradili laserovými senzory známé jako LiDARy. Principem LiDARu je, že vysílá laserové paprsky, které se odrážejí od okolí a při interakci s tímto okolím mění svoji energii. Na základě detekce změny energie paprsku, který se vrátil zpět, a doby, za jakou se vrátil, skenuje LiDARový senzor místa, kam přímo dohlédne. Z těchto skenů pak s pomocí speciálních algoritmů dokážeme složit trojrozměrnou mapu prostředí. Laserové paprsky mají navíc dostatečnou energii na to, aby prachová mračna v blízkosti robota prosvítily. Za pomocí chytrých algoritmů dokážou tak tato mračna rozpoznat, takže víte, jestli se díváte do prachu, nebo do reálného prostředí.

Zajímavější ale možná je, že se mi při té příležitosti podařilo vyspecifikovat vědecký problém, který je ještě náročnější a dosud není dokonale vyřešen. Představte si, že se pohybujete v rovném a symetrickém tunelu, jehož konec nevidíte, ať se posunete kamkoliv dopředu nebo dozadu. To je slabé místo LiDARových senzorů i dálkoměrů): pokud se pohybují v dokonale symetrickém prostředí, produkují stále stejné skeny, které se při pohybu nemění, takže vlastně tento pohyb nelze vůbec rozpoznat. Senzory mají vždy určitý dosah, vidíte třeba na 100 m dopředu. Pokud má tunel kilometr a nejsou v něm žádné struktury, dojde k degradaci všech algoritmů. To je velký problém např. v podzemních prostorech, ve zmíněných tunelech, v dolech anebo naopak ve vysokých městských budovách, které bývají často vertikálně symetrické. Tímto problémem jsem se zabýval ke konci svého doktorského studia. Povedlo se mi vymyslet novou metodu, která řeší, jak udržet malé nestabilní roboty ve vzduchu a současně jim pomoct se v takto symetrickém prostředí orientovat.

V současné době máte pracovní úvazek rozdělený mezi akademickou sféru na ČVUT a komerční ve společnosti Fly4Future. Řeknete nám něco bližšího o této firmě?

Fly4Future je spin-out ČVUT, který funguje 8 let a dnes má s ČVUT hospodářskou dohodu o spolupráci. Rozvíjel se však pomalu a před podepsáním této smlouvy před dvěma lety fungoval zcela samostatně. Cílem firmy je přenášet akademické znalosti do praxe. Současný model nám umožňuje věnovat se na      ČVUT teoretickému výzkumu, i když je často vysoce orientovaný na praxi, a současně technologie rozvíjet ve firmě, která je dotahuje, čili dovyvíjí tak, aby byly použitelné v reálné praxi. Soustředíme se na výrobu speciálních robotů pro zákazníky z celého světa, kterým nikdo jiný nezvládne specializované řešení navrhnout a vyrobit. Zákazníci jsou firmy, které potřebují robotické řešení na míru (např. prototyp pro začínající startup), nebo výzkumné laboratoře, které chtějí rychle přenést teoretický výzkum do reálného světa. Zákazníkům navrhneme vhodné řešení na jejich problém a postavíme roboty. Umíme taky naprogramovat palubní algoritmy tak, aby roboti zákazníkovi potřeby přímo řešili (např. aby zemědělský robot-postřikovač aplikoval pesticid pouze v místech vykazujících přítomnost škůdce). Moje práce ve Fly4Future však leží v druhém směru aktivit, a to v řešení vědeckovýzkumných projektů zaměřených na praktické uplatnění našeho výzkumu a produktů. To mi poskytuje možnost uplatnit své akademické já i v komerční sféře. V současné době u nás pracuje celkem asi 45 lidí, kteří dohromady pokryjí cca 30 plných úvazků – od vědecko-výzkumných pracovníků přes inženýry až po administrativu.

Jaká situace panuje v současnosti na trhu ve vašem oboru? Jste už ve fázi závodu, kdo přijde dřív s lepším a použitelnějším řešením?

Pokud pohlížíme na celosvětový trh, tak bychom to mohli nazvat závodem. Na celosvětovém trhu jsou tyto technologie moderní a působí na něm hodně firem, které se soustředí na různé specifické aplikace. A v každé této jednotlivé oblasti je to opravdu závod o to nejlepší řešení. Robotika je pořád ještě v plenkách, firem je hodně, ale zatím není žádná, který by nějak výrazněji vedla. Samozřejmě zcela jiná situace je v komerční oblasti výroby a prodeje dronů pro běžné uživatele, např. pro venkovní fotografii apod. Tady už máme firmy, které jsou v podstatě monopolní. Mezi těmi, které se soustředí na průmysl, jsou síly zatím poměrně vyrovnané.

Na čem teď aktuálně pracujete?

Zakládám startup s cílem integrovat autonomní roboty do standardních inspekcí ve velkých interiérech průmyslových budov, jako jsou technické místnosti, elektrárny, továrny nebo sklady. Naší vizí je nahradit proces sběru a zpracování inspekčních dat levným robotem, který sám (bez pilota) nasbírá potřebná data (nejprve vizuální, později doplněná o ultrazvuková měření a další modality), během několika minut data vyhodnotí a vytvoří zprávu o nalezených problémech. Správcovský systém budovy pak ihned obdrží přesnou analýzu o přítomnosti a šíření defektů například na kovových i betonových konstrukcích a odpovědný pracovník pak může na základě dat rozhodnout, zda je nutné provést opravu nebo jiný zásah. Člověk přitom nemusí umět pilotovat dron, stavět lešení, slaňovat se do podzemní šachty, pohybovat se v toxickém prostředí a ani zastavovat provoz.  Robot dokáže navíc inspekci spolehlivě a přesně opakovat na pravidelné bázi (týdně, měsíčně apod.) a vždy pořídit totožné snímky ze stejných míst. To je klíčová schopnost k dosažení našeho vysněného cíle – prediktivní údržby, tedy schopnosti odhadovat budoucí vývoj defektů na základě historických dat. Tato služba má velký potenciál pro efektivní plánování údržby a jsme přesvědčeni, že precizní opakovatelnost sběru dat, kterou umožňuje pouze počítačem řízený let, představuje optimální řešení.

Po těchto řešeních je velká poptávka, poněvadž v současnosti se takové interiérové inspekce kvůli náročnosti často vůbec neprovádějí. Standardní postupy většinou vyžadují odstávku provozu, což je v konkrétním případě elektrárny obrovsky drahé.

Létající robot si to, co „vidí“, ukládá, nebo rovnou online posílá na zem?

Možné je obojí, záleží na potřebách zákazníka. Pokud například zákazník chce udělat inspekci skladových zásob, pravděpodobně už má zavedený nějaký evidenční informační systém. V takovém případě se k němu můžeme připojit a rovnou do něj posílat data. V případě inspekcí elektráren a za předpokladu, že tam je signál, se video posílá na zem, kde ho někdo sleduje v reálném čase. Pokud autonomní robot signál ztratí, což se v podobných typech budov stává poměrně často, práci si dodělá sám a jakmile se vrátí na signál, opět začne posílat data. Některé snímky umíme také zpracovávat přímo prostřednictvím zabudovaných palubních počítačů a dolů posílat částečně vyhodnocené záznamy.

Architektury všech našich zařízení jsou tvořeny specificky pro daný účel a neexistuje žádný standard, jak by tyto technologie měly vypadat Jsme malý a mladý obor, ve kterém zatím existuje jen velmi málo standardizovaných přístupů. Mnoho věcí inovujeme, tak říkajíc, za pochodu.

Jak se cítíte ve firemním prostředí? Dokázal jste se na něj rychle adaptovat?

Ano, myslím, že jsem se adaptoval rychle. Už v rámci výzkumu jsem měl možnost vést výzkumné projekty, takže jsem si mohl vyzkoušet, co to obnáší. Pohled na věc se v těchto dvou světech samozřejmě zásadně liší. Musel jsem trochu změnit svůj způsob myšlení. Ten ale asi nezměním úplně, protože akademik ve mně stále zůstává a je možné, že se někdy do akademické sféry znovu naplno vrátím. V současnosti funguji po obou těchto kolejích a není to úplně snadné.  Kromě principů podnikání se musím učit vést lidi, takže nad rámec zvyšování technologických znalostí se musím věnovat také managementu. Úplně to ale překlopit nechci. Akademické myšlení mám rád, motivuje mě dělat věci správně a pořádně a hlouběji se zamýšlet nad všemi možnými aspekty nových technologií. V současnosti máme několik aktivních projektů a ani v jednom z nich „pouze“ nevyužíváme hotové technologie. Všechny vyžadují dodávání vlastních znalostí, dovývoj, analýzu akademické literatury apod. Člověk jednoduše musí být trvale v obraze.

Dokážete si představit nějaký průsečík vašich aktivit s aktivitami společnosti Siemens, který by mohl vyústit v budoucí spolupráci?

Určitě bych se takové spolupráci nebránil. Potenciál tu vidím, děláme poměrně podobné věci. Siemens jako nadnárodní společnost má pochopitelně mnohem větší zkušenosti s dodáváním technologií do „zaběhlého průmyslu“ a umí pracovat s tím, co funguje a co zákazníci potřebují. Na druhou stranu, my své místo na trhu stále hledáme a přinášíme dalo by se říct „létajícího asistenta v plenkách, ale s obrovským potenciálem“, na kterém se snažíme ukázat, že pokud se vývoj správně uchopí, nové technologie mohou změnit a výrazně zlepšit tradiční řešení a procesy.

V tuto chvíli vzniká náš nový startup a byl bych rád, kdybychom spolupráci se Siemensem dokázali navázat a rozvinout, prostor tam určitě je. Osobně se snažím navazovat spolupráci všude, kde to dává smysl, protože jsem přesvědčen o tom, že spolupráce přináší větší užitek než vytváření konkurence.