Исследователи Virginia Tech разработали метод, который позволяет оценивать, насколько глубоко камень погружён в грунт, по характеристикам его вибраций. В будущем такая система может помочь роботам безопаснее работать на Марсе, Луне и других малоизученных небесных телах, не тратя силы на попытки удалить неподвижные валуны.
Вибрации вместо раскопок
При выборе места для посадки космического аппарата важны не только высота и неровность поверхности, но и размеры выступающих камней. Если препятствие лежит сверху, роботизированный экскаватор может попытаться отбросить его или разрушить. Однако частично погружённый валун способен оказаться неподвижным, и тогда такая работа приведёт лишь к расходу энергии и износу инструмента.
Чтобы проверить новый подход, команда Эрика Комендеры, доцента кафедры машиностроения, и аспиранта Иянь Жуань закопала в песке 18 бетонных блоков разной формы и размера. Образцы располагались на разной глубине. Исследователи ударяли по выступающей части каждого блока инструментированным молотком, а возникающие колебания на расстоянии регистрировали сканирующим лазерным доплеровским виброметром.
Измерения проводили на нескольких высотах открытой части блока. Затем полученные данные сопоставили с видимой геометрией образца и использовали для обучения нейросети. Она должна была установить связь между особенностями вибраций и глубиной, на которой находится скрытая часть камня.
Нейросеть учитывает свойства грунта
Задача оказалась нетривиальной: на результаты влияют жёсткость песка, форма камня и угол его контакта с грунтом. По словам Иянь Жуань, исследователи отобрали наиболее информативные признаки вибраций и данные о видимой геометрии, благодаря чему смогли построить компактную нейросеть всего с двумя скрытыми слоями.
В перспективе такая система сможет подсказывать марсоходу, как обращаться с препятствиями на поверхности, ещё до начала раскопок. Пока команда планирует расширять набор данных и продолжать испытания на Земле. Здесь метод может пригодиться для анализа неустойчивых скальных образований, обнаружения подземных полостей и работ по ликвидации последствий катастроф.
Результаты опубликованы в IEEE Sensors Journal в статье «Оценка глубины погружения частично заглублённых камней с использованием сканирующей лазерной доплеровской виброметрии и нейросетей».
