Como os gêmeos digitais aprimoram o design e o controle da autonomia off-road

Os gêmeos digitais são uma área de avanço rapidamente em engenharia, indo além dos modelos estáticos para receber continuamente dados do mundo físico e fazer previsões que afetam essa realidade. Eles têm aplicações em áreas como sistemas de energia, fabricação e medicina. O Centro de Pesquisa Automotiva da UM (ARC) os usa para ajudar a projetar, testar e controlar veículos off-road autônomos que operam em equipes lideradas por humanos.

Enquanto o Exército apóia o Arc Center of Excellence com o objetivo de projetar força militar a uma distância mais longa sem soldados em perigo, os resultados podem melhorar equipes autônomas de humanos e máquinas que operam em muitas outras situações que são perigosas para os seres humanos. Isso inclui incêndios florestais e outras operações de ajuda a desastres, atividades de mineração e explorações de outros planetas.

O diretor da ARC é Bogdan Epureanu, o professor de engenharia mecânica Roger L. McCarthy, um professor de Arthur F. Thurnau e professor de engenharia elétrica e de computadores. Em uma entrevista ao engenheiro de Michigan, ele compartilhou informações sobre como o ARC aproveita os gêmeos digitais e explora o potencial da equipe humana -robot em vários cenários.

Por que os gêmeos digitais são tão úteis para projetar e executar veículos off-road autônomos?

A engenharia digital acelera o processo de desenvolvimento de melhores veículos off-road autônomos. Portanto, pretendemos reunir a entrada do usuário desde o início – envolver os seres humanos no uso desses sistemas desde o início. Queremos perguntar aos usuários: se você tinha um sistema com esses recursos, como o usaria? Que opções de design você prefere? Quais são as implicações das principais opções de design que fazemos?

Isso significa que precisamos construir o sistema e fornecer aos seres humanos para testar, ou projetá -lo em um ambiente digital e permitir que eles o experimentem virtualmente. A longo prazo, é mais econômico desenvolver um ambiente computacional em que o humano possa ser imerso e experimentar essa interação sem primeiro ter que construir a frota de veículos autônomos. Nosso objetivo é ter uma representação fisicamente precisa e cinematográfica do mundo com fidelidade muito alta, permitindo que os seres humanos usem todos os seus sentidos enquanto interagem com o meio ambiente e o sistema de veículos projetados.

Isso não é apenas a operação dos veículos. Em vez disso, o humano está operando em um nível mais alto de abstração, gerenciando o trabalho de vários veículos – cada uma funcionando como um agente independente com seus próprios objetivos alinhados aos do comandante humano.

Os praticantes humanos que usam veículos autônomos geralmente descobrem novas maneiras de operá -los. Se não levarmos a opinião deles no início do processo de design, corremos o risco de criar um sistema que acaba sendo usado de maneira diferente do que se pretende. A inclusão de usuários desde o início ajuda a descobrir novas táticas, novas formas de interação e a necessidade de novos recursos, fornecendo orientação sobre quais novos recursos devem ser desenvolvidos.

Uma experiência cinematográfica – isso é muito evocativo. O que entra nisso?

Primeiro, examinamos a área que queremos modelar. Nossos modelos incluem a topologia do terreno, tipos de solo, vegetação, estruturas e muito mais. Em seguida, lançamos um modelo digital do veículo, com sensores sintéticos, nesse ambiente digital. Observamos seus movimentos e ações.

Em alguns casos, também podemos ter um veículo físico na versão do mundo real da paisagem. Podemos monitorar o mundo real e ver para onde o veículo está indo e o que está fazendo. O ambiente digital cinematográfico, visto em telas grandes, prevê continuamente as ações dos veículos nos próximos cinco a dez segundos. Ele também atualiza suas representações várias vezes a cada segundo usando dados dos veículos. O gêmeo digital serve como uma interface entre o ambiente sintético em que o humano opera e o ambiente perigoso do mundo real.

Esse feedback é muito importante porque é difícil prever em todas as situações o que o veículo fará. Existem muitos fatores que afetam as decisões individuais do veículo, e não se pode realmente capturar todos eles. Na simulação, o veículo pode optar por virar à esquerda em um determinado ponto, enquanto, na realidade, escolhe virar à direita no mesmo ponto devido a pequenas diferenças.

No ambiente simulado, não apenas o humano pode ver onde cada veículo está localizado, ampliando e lançando o zoom e pançando o ambiente, mas também pode sentir as vibrações do veículo, o arremesso de veículos, rolar e guinar e ouvir os sons que os veículos emitem à medida que se movem e interagem com o meio ambiente. Essas dicas sensoriais fornecem melhor consciência situacional e alertam o humano sobre questões emergentes, como a presença de um adversário ou danos que progredem na estrutura do veículo.

Você disse que o humano estaria gerenciando uma frota de veículos. Como pode ser?

Prevemos agentes humanos que gerenciam agentes autônomos com recursos variados que podem funcionar em equipe para realizar missões. Por exemplo, muitos veículos autônomos em uma equipe de combate a incêndios podem se concentrar em transportar água para apagar o incêndio, mas outros podem ser projetados para localizar humanos e ajudá-los a chegar à segurança.

Os humanos da equipe atuariam como lidera a equipe, mudando as diretrizes dos veículos à medida que surgirem novos detalhes sobre a situação. Eles também podem ajudar seus veículos a navegar por situações complicadas que a autonomia não pode lidar sozinha, como a direção coordenada e o acelerador necessário em uma colina íngreme e arenosa.

Às vezes, o humano pode lidar com mais informações do que pode gerenciar tudo de uma vez. Por esse motivo, também estamos construindo um sistema para capturar medições fisiológicas que fornecem aos agentes de IA pistas sobre os estados psicológicos dos leads humanos. Por exemplo, se o humano atingir a sobrecarga cognitiva, os agentes da IA ​​priorizarão e simplificarão as informações que eles fornecem e assumem menos riscos que podem levar à necessidade de intervenção humana.

Como os gêmeos digitais se encaixam nas prioridades e na história do ARC?

O ARC é fundado em uma longa tradição e pioneira a pesquisa translacional desde a sua criação. Não se concentrou nos gêmeos digitais por toda a sua história, mas estamos construindo essa área desde 2018, quando me tornei diretor. Ainda pretendemos construir máquinas resilientes com fortes filmes, pneus ou faixas que podem lidar com as superfícies necessárias e fornecer proteção contra ambientes e adversários severos. No entanto, a autonomia é um disruptor fundamental de várias maneiras.

Por exemplo, o uso de veículos autônomos nas forças armadas é fundamentalmente diferente do uso de veículos convencionais. Como não há humanos em perigo em um veículo autônomo, a estratégia e as táticas mudam, assim como as tecnologias que buscamos.

Além disso, os objetivos do design variam consideravelmente. Ter um humano em um veículo convencional estabeleceu nossas restrições mais rigorosas no design do passado. Precisávamos de um sistema de restrição e uma maneira de entrar e sair do veículo. Não conseguimos expor o veículo a vibrações excessivas e tivemos que controlar a temperatura interna. Também limitou as missões que eram possíveis, como humano precisaria retornar a um local para comida, descanso e recuperação. Tudo isso é eliminado para um veículo autônomo.

Quando um veículo pode desperdiçar em uma posição ou área por meses, precisamos pensar em diferentes restrições no design. Por exemplo, novos métodos são necessários para os veículos gerenciarem sua energia e manter a consciência situacional, percebendo autonomamente o meio ambiente e tomando decisões.

Assim, atualmente estamos reimaginando o que um veículo off-road pode fazer. Com um espaço de design tão grande, é extremamente valioso testar idéias em um ambiente digital antes de produzir protótipos de veículos físicos. Mas nem todos os aspectos de um veículo podem ser simulados com precisão.

Portanto, fizemos um progresso significativo para criar maneiras de misturar os limites entre mundos digitais e realidade, onde incluímos nas representações digitais os aspectos que podemos modelar com mais facilidade e ter aqueles que interagem com os elementos do mundo físico que são difíceis de modelar. Os gêmeos digitais são parte integrante dessa abordagem. Eles também são um dos aspectos que estamos buscando na aliança de veículos terrestres para engenharia digital criada em parceria com o Comando Futuros do Exército dos EUA.

Por que os gêmeos digitais são essenciais para a missão do ARC hoje?

Os gêmeos digitais são mais críticos do que nunca nas iniciativas atuais do ARC. Eles permitem a integração de dados em tempo real e a modelagem de cenários, essenciais para avançar em equipes de máquina humana em cenários operacionais complexos.

Um excelente exemplo é um projeto que visa desenvolver uma estrutura dinâmica de Sistema de Aplicativos (DDDAs) orientada a dados para aprimorar missões de pesquisa e resgate de combate. Essa estrutura se concentra na integração de dados em tempo real, na modelagem humana e otimizando a colaboração humana-de máquina, demonstrando o papel fundamental dos gêmeos digitais nas operações militares modernas.

Ao simular vários ambientes operacionais e possíveis resultados, os gêmeos digitais ajudam os comandantes a tomar decisões informadas, levando a resultados de missão mais bem -sucedidos. Isso ressalta o compromisso do ARC em aproveitar a tecnologia gêmea digital de ponta para enfrentar desafios contemporâneos em sistemas autônomos e aplicações de defesa.