Pasje: Przy podboju kosmosu najbardziej poszukiwane będą w przyszłości roboty z górniczymi umiejętnościami

Paweł Polnik prezentuje swojego łazika po obronie pracy magisterskiej na Politechnice Śląskiej

W pracy często zjeżdża na dół, a po szychcie myślami jest w kosmosie. Paweł Polnik, inspektor w Oddziale Teletechniki i Automatyki oraz Gazometrii w ruchu Marcel kopalni ROW, stworzył system sterowania łazikiem marsjańskim, bazujący na głębokich sieciach neuronowych.

Sieć neuronowa to połączenie elementów zwanych sztucznymi neuronami, które tworzą co najmniej trzy warstwy: wejściową, ukrytą i wyjściową, przy czym warstw ukrytych może być wiele.

– Przeciętnemu śmiertelnikowi te informacje zbyt wiele nie mówią, ale sieć neuronową wykorzystałem właśnie w łaziku marsjańskim. Jest to sześciokołowa platforma robotyczna z zawieszeniem typu rocker-bogie i napędem na każde koło. Na zaimprowizowanej powierzchni tej planety pojazd nauczył się, w jaki sposób pokonywać przeszkody na drodze. Opracowanie i wykonanie tego robota kosztowało mnie sporo pracy, ale jestem z jej efektów bardzo usatysfakcjonowany – z zapałem opowiada o naukowym przedsięwzięciu Paweł Polnik.

Inspektor działu elektrycznego w ruchu Marcel w pracy zajmuje się obecnie wizualizacją systemów dyspozytorskich do śledzenia procesu produkcji. Ukończył studia inżynierskie i magisterskie na kierunku Automatyka i Budowa Maszyn Politechniki Śląskiej w Gliwicach. To wzięty konstruktor. Lotnictwem i kosmosem zainteresował się jeszcze w wieku szkolnym.

Hobby rozwinęło się w projekty naukowe
– Na studiach uczestniczyłem w zajęciach koła naukowego zajmującego się łazikami. Traktowałem to z początku jako hobby, ale to mnie coraz bardziej wciągało, i to do tego stopnia, że opracowałem projekt najpierw inżynierski, a następnie magisterski. Zauważyłem przy tym, że podobnym projektom towarzyszy spore zainteresowanie różnych ośrodków naukowych i firm wdrożeniowych. Na polu eksploracji kosmosu autonomia odgrywa kluczową rolę zwłaszcza w przypadku łazików marsjańskich. W kontekście dużej odległości między Ziemią a Marsem, co wpływa na opóźnienia w transmisji danych, systemy autonomicznej jazdy stają się niezwykle istotne. Inżynierowie rozwijają systemy umożliwiające łazikom samodzielne podejmowanie decyzji – tłumaczy dalej konstruktor, prezentując swego łazika.

W zależności od tego, jak trudny jest teren, operatorzy mają do wyboru dwie opcje. Jest to możliwość wysyłania konkretnych poleceń, takich jak: podjedź 5 m do przodu, a następnie skręć w prawo o 90 stopni według założonego schematu. W przypadku, gdy teren wygląda względnie na bezpieczny, możliwe jest włączenie automatycznej nawigacji.

– Generowanie poleceń wygląda następująco: zobacz tę skałę, a następnie znajdź bezpieczną drogę. Dla łazika korzystającego z dwóch kamer o budowie zbliżonej do ludzkiego oka, generowanie poleceń obejmuje analizę trójwymiarowego obrazu terenu w celu identyfikacji potencjalnych zagrożeń, takich jak duże skały i strome zbocza. Po zmapowaniu obszarów niebezpiecznych łazik określa najbezpieczniejszą trasę w celu ich uniknięcia – przybliża dalej tajniki kosmicznych technologii Paweł Polnik.

Profesja przyszłości
Roboty eksploracyjne generują ogromną ilość danych, często przekraczającą możliwości natychmiastowej interwencji operatora, co zwiększa ryzyko szybkiego pojawienia się problemów. W związku z tym rośnie zapotrzebowanie na inżynierów specjalizujących się w dziedzinie autonomii robotów. To jedna z profesji przyszłości.

– Często pytają mnie, dlaczego akurat robot marsjański, a nie księżycowy. Myślę, że z Księżycem jesteśmy już na dobre oswojeni. Człowiek był na Srebrnym Globie, lecz Mars stanowi dla nas wciąż tajemnicę. W końcu ludzkość szykuje się na podbój Marsa. Poza tym marsjańskie łaziki wylądowały już na tej planecie i zdały doskonale swój egzamin. Temat jest po prostu gorący – potwierdza konstruktor z Marcela i wskazuje na górniczy charakter wielu z nich.

Górnictwo kosmiczne
– Najbardziej poszukiwane będą w przyszłości roboty potrafiące wiercić i pobierać próbki, a więc te, które zostały wyposażone w górnicze umiejętności. Rozwijają się już na dobre technologie górniczych robotów kosmicznych. Takie maszyny będą kiedyś wydobywać surowce na Księżycu i na Marsie. Wierzę w górnictwo kosmiczne. To już nie jest żadna bajka, żadne fantazje, ale najprawdziwsza prawda, która powoli staje się faktem – przekonuje Paweł Polnik.

Faktycznie, autonomia pojazdów przez długi czas związana była głównie z futurystycznymi wizjami. Zyskała praktyczne zastosowanie w latach 60. XX w. w ramach wyścigu kosmicznego, szczególnie w kontekście łazików kosmicznych. Jednak to dopiero na początku XXI w. – jak wskazuje młody naukowiec-górnik – autonomia samochodów stała się obszarem intensywnych badań i rozwoju. Departament Obrony Stanów Zjednoczonych – DARPA włączył się aktywnie w rozwój autonomii, sponsorując serię wyzwań, które miały na celu przyspieszenie postępu w tej dziedzinie. Choć pierwsze próby były nieudane, to już w 2005 r. pięć zespołów z powodzeniem ukończyło Grand Challenge, pokonując trasę przez kalifornijską pustynię Mojave w czasie krótszym niż siedem godzin. Obecnie liczne firmy motoryzacyjne, takie jak: Ford, Mercedes-Benz, BMW, Tesla, oraz firmy technologiczne Nvidia i Google z samochodem Waymo, intensywnie angażują się w badania nad autonomią pojazdów.

Innowacyjny Orzeł 7
Celem robota eksploracyjnego stworzonego przez Pawła Polnika jest autonomiczna jazda oparta na danych obrazowych z kamery umieszczonej na odpowiedniej wysokości i pod odpowiednim kątem w stosunku do podłoża. Pozwala to na swobodne zbieranie informacji z powierzchni, po której się przemieszcza. Te zebrane informacje są później wykorzystywane w algorytmach sterowania.

– Skorzystałem z doradztwa wielu osób, w tym mojego przyjaciela Tadeusza Cabana. To on zaprojektował zawieszenie typu rocker-bogie.

I w taki właśnie sposób w Katedrze Podstaw Konstrukcji Maszyn na Wydziale Mechanicznym Technologicznym Politechniki Śląskiej powstał innowacyjny system sterowania robotem eksploracyjnym Orzeł 7 wraz z platformą testową. Promotorem pracy był dr inż. Marcin Januszka, a opiekunem mgr inż. Mateusz Kosior z Politechniki Śląskiej. Marsjańskie cudo zajęło 3. miejsce w konkursie o Nagrodę Prezesa Polskiej Agencji Kosmicznej 2023.

Ale na tym nie koniec. Paweł Polnik myśli już o doktoracie. Należy do koła naukowego AI–METH działającego na uczelni. Ma zamiar sprawdzić zastosowanie sieci neuronowej w procesie monitorowania wstrząsów wywołanych działalnością górniczą.

– Chodzi o analizę danych ze stacji tąpań, które w kopalni Marcel są bardzo rozbudowane. Wstrząsy to zjawiska nieprzewidywalne. Może dzięki pomocy sieci neuronowych i sztucznej inteligencji będzie dało się je przewidywać? Na razie jestem na etapie zgłębiania wiedzy z zakresu geofizyki i sejsmologii. Myślę, że jest to ciekawy temat na doktorat wdrożeniowy i mam nadzieję, że Polska Grupa Górnicza będzie zainteresowana tematyką i pomoże mi w realizacji. Niewykluczone, że sieć neuronowa będzie również przydatna w prognozowaniu awarii maszyn – dodaje Paweł Polnik.