Flåde af autonome både kunne servicere byer for at reducere vejtrafikken

Fremtiden for transport i vandvejsrige byer som Amsterdam, Bangkok, og Venedig - hvor kanaler løber langs med og under travle gader og broer - kan omfatte autonome både, der færger varer og mennesker, hjælpe med at rydde op på vejpropper.

Forskere fra MIT's Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) og Senseable City Lab i Institut for Bystudier og Planlægning (DUSP), har taget et skridt mod den fremtid ved at designe en flåde af autonome både, der tilbyder høj manøvredygtighed og præcis kontrol. Bådene kan også hurtigt 3D-printes ved hjælp af en lavprisprinter, gør masseproduktion mere gennemførlig.

Bådene kunne bruges til at taxa folk rundt og til at levere varer, lette gadetrafikken. I fremtiden, forskerne forestiller sig også, at de førerløse både bliver tilpasset til at udføre bytjenester natten over, i stedet for i travle dagslystimer, yderligere at reducere trængslen på både veje og kanaler.

"Forestil dig at flytte nogle af de infrastrukturtjenester, der normalt finder sted i løbet af dagen på vejen - leveringer, håndtering af affald, affaldshåndtering - til midt om natten, på vandet, ved hjælp af en flåde af autonome både, " siger CSAIL-direktør Daniela Rus, medforfatter på et papir, der beskriver teknologien, der præsenteres på denne uges IEEE International Conference on Robotics and Automation.

I øvrigt, bådene – rektangulære 4 x 2 meter skrog udstyret med sensorer, mikrocontrollere, GPS moduler, og anden hardware - kunne programmeres til selv at samle til flydebroer, koncertscener, platforme for fødevaremarkeder, og andre strukturer i løbet af få timer. "Igen, nogle af de aktiviteter, der normalt finder sted på land, og det forårsager forstyrrelser i, hvordan byen bevæger sig, kan gøres midlertidigt på vandet, " siger Rus, hvem er Andrew og Erna Viterbi professor i elektroteknik og datalogi.

Bådene kunne også udstyres med miljøsensorer til at overvåge en bys farvande og få indsigt i byer og menneskers sundhed.

Medforfattere på papiret er:førsteforfatter Wei Wang, en fælles postdoc i CSAIL og Senseable City Lab; Luis A. Mateos og Shinkyu Park, begge DUSP postdocs; Pietro Leoni, en stipendiat, og Fábio Duarte, en forsker, både i DUSP og Senseable City Lab; Banti Gheneti, en kandidatstuderende ved Institut for Elektroteknik og Datalogi; og Carlo Ratti, en hovedefterforsker og professor i praksis i DUSP og direktør for MIT Senseable City Lab.

Bedre design og kontrol

Arbejdet blev udført som en del af "Roboat"-projektet, et samarbejde mellem MIT Senseable City Lab og Amsterdam Institute for Advanced Metropolitan Solutions (AMS). I 2016 som en del af projektet, forskerne testede en prototype, der sejlede rundt i byens kanaler, Bevæger sig fremad, baglæns, og sideværts langs en forudprogrammeret vej.

ICRA-papiret beskriver flere vigtige nye innovationer:en hurtig fremstillingsteknik, et mere effektivt og smidigt design, og avancerede banesporingsalgoritmer, der forbedrer kontrol, præcision docking og låsning, og andre opgaver.

For at lave bådene, forskerne 3-D-printede et rektangulært skrog med en kommerciel printer, producerede 16 separate sektioner, der blev splejset sammen. Udskrivning tog omkring 60 timer. Det færdige skrog blev derefter forseglet ved at klæbe flere lag glasfiber.

Integreret på skroget er en strømforsyning, Wi-Fi antenne, GPS, og en minicomputer og mikrocontroller. For præcis positionering, forskerne inkorporerede et indendørs ultralydsbeacon-system og udendørs kinematiske GPS-moduler i realtid, som giver mulighed for lokalisering på centimeterniveau, samt et inertial measurement unit (IMU) modul, der overvåger bådens krøjning og vinkelhastighed, blandt andre målinger.

Båden har en rektangulær form, i stedet for de traditionelle kajak- eller katamaranformer, at tillade fartøjet at bevæge sig sidelæns og at fæstne sig til andre både, når andre strukturer samles. Et andet simpelt, men effektivt designelement var thrusterens placering. Fire thrustere er placeret i midten af ​​hver side, i stedet for ved de fire hjørner, generere fremad- og bagudgående kræfter. Dette gør båden mere smidig og effektiv, siger forskerne.

Holdet udviklede også en metode, der gør båden i stand til at spore sin position og orientering hurtigere og mere præcist. For at gøre det, de udviklede en effektiv version af en ikke-lineær model prædiktiv kontrol (NMPC) algoritme, bruges generelt til at styre og navigere robotter inden for forskellige begrænsninger.

NMPC og lignende algoritmer er tidligere blevet brugt til at styre autonome både. Men typisk testes disse algoritmer kun i simulering eller tager ikke højde for bådens dynamik. Forskerne inkorporerede i stedet forenklede ikke-lineære matematiske modeller i algoritmen, der tegner sig for nogle få kendte parametre, såsom træk af båden, centrifugal- og corioliskræfter, og tilsat masse på grund af acceleration eller deceleration i vand. Forskerne brugte også en identifikationsalgoritme, der derefter identificerer eventuelle ukendte parametre, mens båden trænes på en sti.

Endelig, forskerne brugte en effektiv forudsigelseskontrolplatform til at køre deres algoritme, som hurtigt kan bestemme kommende handlinger og øger algoritmens hastighed med to størrelsesordener i forhold til lignende systemer. Mens andre algoritmer udføres på omkring 100 millisekunder, forskernes algoritme tager mindre end 1 millisekund.

Test af vandet

For at demonstrere kontrolalgoritmens effektivitet, forskerne indsatte en mindre prototype af båden langs forudplanlagte stier i en swimmingpool og i Charles River. I løbet af 10 testkørsler, forskerne observerede gennemsnitlige sporingsfejl - i positionering og orientering - mindre end sporingsfejl i traditionelle kontrolalgoritmer.

Den nøjagtighed er tak, delvis, til bådens indbyggede GPS- og IMU-moduler, som bestemmer position og retning, henholdsvis, ned til centimeteren. NMPC-algoritmen knuser dataene fra disse moduler og vejer forskellige metrikker for at styre båden sandt. Algoritmen er implementeret i en controller-computer og regulerer hver thruster individuelt, opdateres hvert 0,2 sekund.

"Controlleren overvejer bådens dynamik, bådens nuværende tilstand, trykbegrænsninger, og referenceposition i de kommende få sekunder, for at optimere, hvordan båden kører på stien, " siger Wang. "Vi kan derefter finde den optimale kraft for thrusterne, der kan tage båden tilbage til stien og minimere fejl."

Innovationerne inden for design og fremstilling, samt hurtigere og mere præcise kontrolalgoritmer, pege på mulige førerløse både, der bruges til transport, docking, og selvmontering til platforme, siger forskerne.

Et næste skridt i arbejdet er at udvikle adaptive controllere til at tage højde for ændringer i bådens masse og træk ved transport af mennesker og varer. Forskerne forfiner også controlleren til at tage højde for bølgeforstyrrelser og stærkere strømme.

"Vi fandt faktisk ud af, at Charles-floden har meget mere strøm end i kanalerne i Amsterdam, " siger Wang. "Men der vil være mange både, der bevæger sig rundt, og store både vil bringe store strømme, så det skal vi stadig overveje."