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Stanford Cart

Como um projeto Moon Rover foi bloqueado por um político, mas foi chutado pelo futebol em um veículo auto-dirigido>

por Lester Earnest (les at cs.stanford.edu)

2018.03.06

 

O Stanford Cart teve uma carreira de altos e baixos desde 1960. Nasceu como uma plataforma de pesquisa para estudar o problema de controlar um Moon Rover da Terra. Em seguida, foi reconfigurado como um veículo rodoviário autônomo para pesquisa em navegação visual, e depois entrou em shows comerciais por alguns anos. Agora está em exibição em uma casa para robôs aposentados no Computer History Museum .

 

Veículo de teste Moon Rover

Stanford Carrinho com cabo, 1961. O Stanford Cart foi construído originalmente pelo estudante de pós-graduação em Engenharia Mecânica (ME) James L. Adams para apoiar a pesquisa sobre o problema do controle de um veículo remoto usando informações de vídeo. Ele estava trabalhando no Laboratório de propulsão a jato da Caltech em um programa da NASA chamado Project Prospector, que estava passando com a suposição de que alguém na terra poderia dirigir em torno da Lua usando uma câmera de televisão em um veículo e links de rádio em ambos os sentidos. No entanto, Adams mostrou que a suposição era falsa.

O carrinho tinha quatro pequenas rodas de bicicleta com motores elétricos alimentados por uma bateria de carro e carregava uma câmera de televisão com uma visão fixa na direção direta. Os testes foram conduzidos usando a direção de 2 rodas, como um carro e direção de 4 rodas, nas quais as rodas e a câmera de televisão giraram juntas. O carrinho foi conectado por um cabo muito longo a uma consola de controle com uma tela de televisão e controles para direção e velocidade. Um loop de fita magnética possibilitou a variação do tempo de atraso dos comandos de direção, para simular atrasos de comunicação.

Adams explorou a capacidade de controle do veículo, evitando obstáculos com várias combinações de atraso e velocidade de comunicação. Quando os comandos de direção são atrasados pelas comunicações, há uma tendência para o operador dominar e perder o controle. Adams mostrou em sua dissertação que, com um atraso de comunicação correspondente à ida e volta para a Lua (cerca de 2,5 segundos), o veículo não poderia ser controlado de forma confiável se viajar mais rápido do que 0,2 km / h.

 

Stanford Cart with radio links, 1963. Estudante de graduação em engenharia mecânica Paul W. Braisted desenvolveu um esquema para melhorar a capacidade de controle do veículo, adicionando um computador analógico que levava em conta os comandos de direção anteriores e colocava um ponto brilhante na tela da televisão na localização prevista do carrinho quando um comando de direção atual começasse a produzir efeito. Com esta adição, o veículo poderia ser controlado a 5 mph (8 km / h). Ainda houve uma limitação fundamental na teleoperação na medida em que, se a viagem durante a demora for superior à distância do veículo para um obstáculo não visto, não há como evitar bater nela. Braisted completou sua dissertação em 1963 [2].

 

Political Theater Takes Precedence. A perspectiva de usar essa tecnologia foi adiada pelo anúncio do presidente John F. Kennedy, em 12 de setembro de 1962, da missão tripulada dos EUA na Lua. Em retrospectiva, com base em objetivos científicos, esse plano fazia sentido apenas como teatro político, mas se transformou em uma extravagância televisiva. Poderíamos ter reunido muito mais informações sobre a lua, enviando veículos robóticos para uma pequena fração do que custou para enviar pessoas lá e recuperá-las, mas a política geralmente tem precedência sobre a ciência. Se estivéssemos presos com o plano original de enviar veículos robotizados em vez de pessoas, agora saberíamos muito mais sobre a Lua e teríamos gastado apenas uma pequena fração do que custou colocar nesse programa de televisão. Aliás, eu evidentemente desempenhou um papel pequeno na qualidade de televisão boa para esse show, mas essa é outra história.

As pessoas tendem a pensar em astronautas e cosmonautas como exploradores, mas, como nenhuma das suas missões fazia sentido do ponto de vista da exploração científica, eles eram realmente atores no teatro político. Os robôs são muito melhores nas viagens espaciais e na exploração planetária do que os humanos e provavelmente serão sempre. Após os desembarques de Lua, nossos políticos juntaram a Estação Espacial Internacional e o ônibus espacial, custando centenas de bilhões de dólares a mais para nenhum propósito significativo além do negócio de show político.

 

Como o futebol iniciou a primeira tentativa de um veículo rodoviário autônomo. Cheguei a Stanford no final de 1965 como Diretor Executivo do novo Laboratório de Inteligência Artificial de Stanford (SAIL), que eu projetei, nomeei e gerenciei no sopé acima do campus de Stanford

Jim Adams, que originalmente criou o carrinho para sua dissertação de doutorado, voltou a Stanford como professor de engenharia mecânica e, dado que ele e eu tínhamos colegas de futebol como estudantes de graduação da Caltech no início dos anos 50, olhei para ele e visitei o dele laboratório e percebeu o carrinho sentado no canto da sala, depois perguntou sobre isso. Ocorreu-me que este veículo poderia ser usado para construir um veículo de estrada de auto-condução experimental com base na interpretação por computador da entrada visual, então perguntei se eu poderia emprestar e obteve esse privilégio.

 

Facilidade de pesquisa SAIL, 1966-1979. Eu tinha em mente tentando dirigir na estrada circular em torno da instalação SAIL usando a linha central da estrada e outras referências visuais. No entanto, eu sabia que o carrinho seria incapaz de carregar um computador suficientemente grande para fazer isso, então eu planejei usar um transmissor de televisão no carrinho para enviar imagens para o computador SAIL (que naquela época era um sistema DEC KA10 ocupando uma área sobre o tamanho de uma meia quadra de basquete), com outro link de rádio usado para enviar comandos de orientação do computador para o carrinho. O KA10 correu a uma velocidade de cerca de 0,65 MIPS, bastante lento pelos padrões modernos.

No entanto, os links de rádio que haviam sido usados nas experiências anteriores com o carrinho desapareceram, então recrutei um estudante de Doutorado em Engenharia Elétrica chamado Rodney Schmidt para construir um transmissor de TV de baixa potência e um link de controle de rádio, permitindo que as operadoras humanas controlem o carrinho através do computador enquanto está sentado em uma mesa que vê a imagem da televisão.

 

Stanford Cart configurado como veículo rodoviário autônomo. Nos foi concedida uma licença de TV experimental pela Comissão Federal de Comunicações para os Canais 22 e 23, para que pudéssemos ser negligentes. Eu tinha uma longa rampa construída nas escadas da frente que permitia que o carrinho viajasse do laboratório para a estrada, possibilitando dirigir-se ao redor do bairro, que se tornou um passatempo popular.

Eu também tinha um sinal de metal "CUIDADO ROBÔ VEÍCULO", publicado na estrada de entrada para o laboratório, o que acabou por ser um problema porque foi repetidamente roubado e foi caro para replicar. Eu descobri muito tarde que deveria ter sido impresso em papelão e oferecido para venda na Stanford Book Store, que poderia ter feito algum dinheiro.

Para facilitar a passagem do carrinho do laboratório para a rua e para trás, obtive uma série de rampas construídas nos degraus da frente, o que acabou por ser útil para outros fins, como permitir que ciclistas como eu viajem para nossos escritórios e Também permitiu que pessoas em cadeiras de rodas pudessem entrar para passeios.

Uma vez que o sistema estava funcionando, John McCarthy se interessou e assumiu o controle do projeto para que ele pudesse brincar com isso, para meu extremo aborrecimento. Pior ainda, ele se afastou do objetivo do veículo auto-dirigido e resolveu procurar uma linha de alto contraste no papel. Rodney Schmidt escreveu uma tese dizendo que, sob condições de iluminação controladas, tal linha poderia ser seguida a uma velocidade de cerca de 0,8 mph (1,3 km / h), uma experiência que nem exigia um veículo [3].

 

Stanford Cart with slider, 1972-79. O carrinho foi mudado de 4 rodas para direção de 2 rodas e um número de pessoas jogou com ele. O estudante de pós-graduação Bruce Baumgart começou a dirigir o carrinho ao redor e estava pensando em transformá-lo em uma dissertação, mas acabou por fazer um Geomed, um editor geométrico 3D para representar poliedros.

Hans Moravec, que tinha vindo a Stanford especificamente para trabalhar na navegação visual, permaneceu com ele, mas sofreu um recuo em outubro de 1973, quando o carrinho caiu na rampa de saída enquanto estava sob controle manual e acabou com o ácido da bateria em toda a sua eletrônica. Moravec conseguiu obter o auxílio do roboticista Victor Scheinman em 1977 para construir um "controle deslizante", um giro mecânico que movia a câmera de televisão de lado a lado, permitindo que várias visualizações fossem obtidas sem mover o carrinho. Usando o processador KL10, então disponível, que funcionou em cerca de 2,5 MIPS, o Moravec conseguiu usar a visão multi-ocular para navegar lentamente em torno de obstáculos em um ambiente interno. Ele usou isso para fazer problemas de navegação que eram semelhantes ao que estava sendo feito no grupo de inteligência artificial no SRI (Instituto de Pesquisa de Stanford) e programado para se mover em um jorros de um metro pontuado por pausas de dez a quinze minutos para o processamento e roteamento de imagens planejamento. Em 1979, o carrinho cruzou com sucesso uma sala cheia de cadeiras sem intervenção humana em cerca de cinco horas. Moravec completou o seu dissertation em 1980 e háa breve video do carrinho em ação. Após a conclusão de seu doutorado, Moravec mudou-se para a Universidade Carnegie Mellon Instituto de Robótica que foi fundado anteriormente Prof. Raj Reddy, outro graduado da SAIL.

 

More Show Business. Depois de SAIL desligou em 1980, o carrinho novamente foi armazenado até 1987, quando, a pedido do Museu Digital de Computadores em Boston, enviei uma série de dispositivos robotizados aposentados para uma nova exibição lá. The Smart Machines Theatre, mais tarde renomeado Robot Theatre, foi uma coleção de artefatos no palco, iluminado em sequência com alguns movimentos em seus momentos de glória, sincronizados com um vídeo, provando que mesmo robôs antigos podem ter uma segunda carreira no show business.

The Smart Machines Theatre em Boston com o carrinho no centro

Após o encerramento do museu de Boston, os robôs e outros artefatos foram enviados ao seu sucessor, o Computer History Museum em Mountain View, Califórnia. Começando em 2011, foi posto em exibição estática no Museu, onde pode ser visto hoje. No entanto, as legendas mostradas não dizem praticamente nada sobre sua história. Talvez algum dia seja novamente permitido percorrer o mundo.

 

CMU Research. O Laboratório de Robótica da Universidade Carnegie-Mellon, administrado pelos antigos SAILors Raj Reddy e Hans Moravec, realizou muitos projetos de pesquisa, incluindo tentativas adicionais de construção de veículos auto-dirigentes, treinando muitos doutores no processo.

 

De volta a Stanford. In 2003 Sebastian Thrun, que obteve um doutorado no CMU Robotics Lab, se juntou à faculdade de Stanford e reviveu a SAIL e iniciou um novo projeto de veículo autônomo. Ele desenvolveu inicialmente um carro robô chamado Stanley que eventualmente ganhou o 2005 DARPA Grand Challenge, uma corrida pelo deserto da Califórnia. Em 2007, a equipe SAIL ocupou o segundo lugar no DARPA Urban Challenge, que simulou um ambiente urbano de condução.

 

 

 

No Google. Sebastian Thrun e alguns de seus colegas mudaram-se para o Google nas proximidades e criaram o Google sem motorista que depois foi transferido para uma nova empresa chamada Waymo, que ainda faz parte do Googleplex, agora chamado Alphabet, e ainda está em desenvolvimento. Uber alegadamente tentou deslizar parte de sua tecnologia, então Waymo processou-os e obteve uma liquidação extrajudicial.

Enquanto isso, Sebastian Thrun iniciou uma nova empresa chamada Udacity, que oferece educação on-line em várias áreas.

 

 

 

 

Waymo Self-Driving Car

 

Mais espaço do teatro. Outra pessoa que entrou no showbiz espacial é Elon Musk, que anteriormente fez um pacote como cofundador da Paypal e fundou a SpaceX em 2002. Musk e outros estão agora planejando enviar as pessoas de volta à lua e a Marte, o que será igualmente sem sentido. Chegar a Marte exige uma viagem de cerca de nove meses, sujeito a radiação cósmica e solar, então há uma boa chance de que eles se enfermem ou morram no caminho. Assim, um robô de escavação deve ser enviado para enterrá-los. Se eles chegarem lá vivos, a radiação irá matá-los em breve.

Outro grupo posteriormente fundou Tesla e desenvolveu um carro elétrico, mas ficou sem dinheiro. Musk então os resgatou e fingiu que ele havia inventado esse carro, aumentando ainda mais o negócio do show. Ele usou recentemente foguetes SpaceX para colocar um Tesla no espaço, orbitando ao redor do Sol, o que fez mais manchetes, mas não muito sensato.

 

Herança. Olhando para trás, a primeira versão do Stanford Cart, construída para avaliar a viabilidade de conduzir remotamente um veículo na Lua, foi bem sucedida por uma versão modificada do carrinho que funcionou, depois foi transformada em um veículo experimental auto-dirigido na Terra, então foi modificado para correr por dentro. Moravec então passou para a CMU e, com Raj Reddy, ajudou a iniciar mais pesquisa de veículos auto-dirigidos lá, pelo menos algumas gerações.

Então Thrun veio da CMU para Stanford e reiniciou um desenvolvimento de veículos auto-dirigido bem sucedido lá, então foi para o Google e fez mais algumas gerações lá. Essa tecnologia mudou-se para o Waymo para outra geração. Em resumo, o veículo Waymo pode ser pensado como uma descendente do décimo ao duodécimo descendente do carrinho original da Stanford e as coisas claramente continuarão avançando. Minha esperança é que os serviços de robô de táxis se tornem generalizados antes de perder minha carteira de motorista.

 

Reconhecimento. Graças a James Adams, Bruce Baumgart, Hans Moravec, Oliver Strippel, Sebastian Thrun e Dave Grossman por fornecer informações para esta conta.

 

Referências. The following Ph.D. dissertations at Stanford University came out of research with the Stanford Cart.

[1] James Adams, Remote control with long transmission delays, PhD in Mechanical Engineering, 1961.

[2] Paul Braisted, Study of a predictor for remote control systems operating with signal transmission delays, PhD in Mechanical Engineering, 1963.

[3] Rodney Schmidt, A study of the real-time control of a computer-driven vehicle, PhD in Electrical Engineering, 1971.

[4] Hans Moravec, Obstacle avoidance and navigation in the real world by a seeing robot rover, PhD in Computer Science, 1980.