Ingeniører bygger en flåde af autonome både, der skifter form

MIT's flåde af robotbåde er blevet opdateret med nye muligheder for at "formskifte, "ved autonomt at afbryde og samle til en række forskellige konfigurationer, at danne flydende strukturer i Amsterdams mange kanaler.

De autonome både - rektangulære skrog udstyret med sensorer, thrustere, mikrocontrollere, GPS moduler, kameraer, og anden hardware – udvikles som en del af det igangværende "Roboat"-projekt mellem MIT og Amsterdam Institute for Advanced Metropolitan Solutions (AMS Institute). Projektet ledes af MIT-professorerne Carlo Ratti, Daniela Rus, Dennis franskmand, og Andrew Whittle. I fremtiden, Amsterdam vil have robådene til at krydse sine 165 snoede kanaler, transport af varer og mennesker, samle affald, eller selv at samle til "pop-up" platforme – såsom broer og scener – for at hjælpe med at afhjælpe trængsel på byens travle gader.

I 2016 MIT-forskere testede en robotprototype, der kunne komme videre, baglæns, og sideværts langs en forprogrammeret sti i kanalerne. Sidste år, forskere designet til lave omkostninger, 3D-printet, en kvart skala versioner af bådene, som var mere effektive og smidige, og kom udstyret med avancerede trajectory-tracking algoritmer. I juni, de skabte en autonom låsemekanisme, der lod bådene målrette og gribe om hinanden, og fortsæt med at prøve, hvis de fejler.

I et nyt papir præsenteret på sidste uges IEEE International Symposium on Multi-Robot and Multi-Agent Systems, forskerne beskriver en algoritme, der gør robådene i stand til jævnt at omforme sig selv så effektivt som muligt. Algoritmen håndterer al planlægning og sporing, der gør det muligt for grupper af roboatenheder at frigøres fra hinanden i én sæt konfiguration, rejse en kollisionsfri sti, og fastgør igen til deres passende sted på den nye sætkonfiguration.

I demonstrationer i en MIT-pulje og i computersimuleringer, grupper af forbundne robådenheder omarrangerede sig fra lige linjer eller firkanter til andre konfigurationer, såsom rektangler og "L"-former. De eksperimentelle transformationer tog kun et par minutter. Mere komplekse formskift kan tage længere tid, afhængigt af antallet af bevægelige enheder - som kan være dusinvis - og forskelle mellem de to former.

"Vi har gjort det muligt for robådene nu at skabe og afbryde forbindelser med andre robåde, med håb om at flytte aktiviteter på gaderne i Amsterdam til vandet, " siger Rus, direktør for Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) og Andrew og Erna Viterbi professor i elektroteknik og datalogi. "Et sæt både kan samles og danne lineære former som pop-up broer, hvis vi skal sende materialer eller personer fra den ene side af en kanal til den anden. Eller, vi kan skabe pop-up bredere platforme til blomster- eller fødevaremarkeder."

Med Rus på papiret er:Ratti, direktør for MIT's Senseable City Lab, og, også fra laboratoriet, første forfatter Banti Gheneti, Ryan Kelly, og Drew Meyers, alle forskere; postdoc Shinkyu Park; og forskningsstipendiat Pietro Leoni.

Kollisionsfrie baner

For deres arbejde, forskerne skulle tackle udfordringer med autonom planlægning, sporing, og forbinder grupper af robådenheder. Giver hver enhed unikke evner til, for eksempel, finde hinanden, blive enige om, hvordan man skiller ad og reformerer, og derefter bevæge sig frit rundt, ville kræve komplekse kommunikations- og kontrolteknikker, der kunne gøre bevægelse ineffektiv og langsom.

For at muliggøre mere jævn drift, forskerne udviklede to typer enheder:koordinatorer og arbejdere. En eller flere arbejdere forbinder til en koordinator for at danne en enkelt enhed, kaldet en "connected-vessel platform" (CVP). Alle koordinator- og arbejdsenheder har fire propeller, en trådløs mikrocontroller, og adskillige automatiserede låsemekanismer og følesystemer, der gør dem i stand til at linke sammen.

Koordinatorer, imidlertid, også udstyret med GPS til navigation, og en inertimålenhed (IMU), som beregner lokalisering, positur, og hastighed. Arbejdere har kun aktuatorer, der hjælper CVP'en med at styre langs en sti. Hver koordinator er opmærksom på og kan trådløst kommunikere med alle tilsluttede arbejdere. Strukturer omfatter flere CVP'er, og individuelle CVP'er kan låse på hinanden for at danne en større enhed.

Under formskift, alle forbundne CVP'er i en struktur sammenligner de geometriske forskelle mellem dens oprindelige form og nye form. Derefter, hver CVP afgør, om den forbliver på samme sted, og om den skal bevæge sig. Hver bevægende CVP tildeles derefter en tid til at skille ad og en ny position i den nye form.

Hver CVP bruger en tilpasset baneplanlægningsteknik til at beregne en måde at nå sin målposition uden afbrydelser, samtidig med at ruten optimeres for hastighed. For at gøre det, hver CVP forudberegner alle kollisionsfrie områder omkring den bevægelige CVP, mens den roterer og bevæger sig væk fra en stationær.

Efter forudberegning af disse kollisionsfrie områder, CVP'en finder derefter den korteste bane til sin endelige destination, hvilket stadig forhindrer den i at ramme den stationære enhed. Især optimeringsteknikker bruges til at gøre hele baneplanlægningsprocessen meget effektiv, med forudberegningen, der tager lidt mere end 100 millisekunder at finde og forfine sikre stier. Ved hjælp af data fra GPS og IMU, koordinatoren estimerer derefter sin stilling og hastighed ved sit massecentrum, og styrer trådløst alle propellerne i hver enhed og bevæger sig ind på målstedet.

I deres eksperimenter, forskerne testede CVP'er med tre enheder, bestående af en koordinator og to medarbejdere, i flere forskellige formskiftende scenarier. Hvert scenarie involverede en CVP, der frigjorde sig fra den oprindelige form og flyttede og låste til et målsted omkring en anden CVP.

Tre CVP'er, for eksempel, omarrangerede sig fra en forbundet lige linje - hvor de var låst sammen på deres sider - til en lige linje forbundet foran og bagpå, samt et "L." I computersimuleringer, op til 12 robådenheder omarrangerede sig fra, sige, et rektangel til en firkant eller fra en massiv firkant til en Z-lignende form.

Opskalere

Eksperimenter blev udført på robådenheder i kvart størrelse, som måler omkring 1 meter lang og en halv meter bred. Men forskerne mener, at deres baneplanlægningsalgoritme vil skalere godt til at kontrollere enheder i fuld størrelse, som bliver cirka 4 meter lang og 2 meter bred.

Om cirka et år, forskerne planlægger at bruge robådene til at danne en dynamisk "bro" over en 60 meter lang kanal mellem NEMO Science Museum i Amsterdams centrum og et område, der er under udvikling. Projektet, kaldet RoundAround, vil anvende robåde til at sejle i en sammenhængende cirkel over kanalen, afhentning og afsætning af passagerer ved kajen og standsning eller omdirigering, når de opdager noget i vejen. I øjeblikket, at gå rundt i den vandvej tager omkring 10 minutter, men broen kan reducere den tid til omkring to minutter.

"Dette vil være verdens første bro bestående af en flåde af autonome både, " siger Ratti. "En almindelig bro ville være super dyr, fordi du har både på vej, så du skal have en mekanisk bro, der åbner op eller en meget høj bro. Men vi kan forbinde to sider af kanalen [ved at bruge] autonome både, der bliver dynamiske, lydhør arkitektur, der flyder på vandet."

For at nå det mål, forskerne videreudvikler robådene for at sikre, at de sikkert kan holde mennesker, og er robuste over for alle vejrforhold, såsom kraftig regn. De sørger også for, at robådene effektivt kan forbindes til siderne af kanalerne, som kan variere meget i struktur og design.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.