Город Амстердам предвидит будущее, когда флоты автономных лодок путешествуют по многочисленным каналам для перевозки грузов и людей, сбора мусора или самостоятельной сборки в плавучие сцены и мосты. Чтобы продвинуть это видение, исследователи MIT предоставили своим флотам роботизированных лодок новые возможности — которые разрабатываются в рамках текущего проекта — которые позволяют им нацеливаться и сцепляться друг с другом, и продолжают пытаться в случае неудачи.
Около четверти площади Амстердама покрыто водой, а 165 оживленных каналов проходят вдоль оживленных городских улиц. Несколько лет назад MIT и Амстердамский институт современных городских решений (AMS Institute) объединились для реализации проекта « Roboat ». Идея заключается в создании парка автономных роботизированных лодок — прямоугольных корпусов, оснащенных датчиками, двигателями, микроконтроллерами, GPS-модулями, камерами и другим оборудованием, — которые обеспечивают интеллектуальную мобильность на воде для уменьшения заторов на оживленных улицах города.
Одной из целей проекта является создание роботизированных подразделений, которые обеспечивают транспорт по требованию на водных путях. Другой целью является использование роботизированных подразделений для автоматического формирования «всплывающих» структур, таких как пешеходные мосты, рабочие площадки или даже продовольственные рынки. Структуры могут автоматически разбираться в установленное время и преобразовываться в целевые структуры для различных видов деятельности. Кроме того, роботизированные устройства могут быть использованы в качестве гибких датчиков для сбора данных об инфраструктуре города, а также о качестве воздуха и воды, среди прочего.
В 2016 году исследователи Массачусетского технологического института испытали прототип робота, который путешествовал по каналам Амстердама, двигаясь вперед, назад и в поперечном направлении по заранее запрограммированной траектории. В прошлом году исследователи разработали недорогие версии лодок, рассчитанные на 3-D печать, размером в одну четверть, которые были более эффективными и быстрыми, и были оснащены усовершенствованными алгоритмами отслеживания траектории.
В документе, представленном на Международной конференции по робототехнике и автоматизации, исследователи описывают роботов, которые теперь могут идентифицировать и подключаться к док-станциям. Алгоритмы управления направляют роботов к цели, где они автоматически подключаются к индивидуальному защелкивающемуся механизму с точностью до миллиметра. Кроме того, робот замечает, что он пропустил соединение, выполняет резервное копирование и пытается снова.
Исследователи проверили технику фиксации в бассейне в Массачусетском технологическом институте и в реке Чарльз, где вода более грубая. В обоих случаях роботов-юнитов обычно удавалось успешно соединиться примерно через 10 секунд, начиная примерно с 1 метра, или они преуспели после нескольких неудачных попыток. В Амстердаме система может быть особенно полезна для ночного сбора мусора. Роботизированные подразделения могли плавать вокруг канала, находить и фиксировать платформы, содержащие контейнеры для мусора, и доставлять их обратно в места сбора.
«В Амстердаме каналы когда-то использовались для транспортировки и других вещей, для которых сейчас используются дороги. Дороги возле каналов в настоящее время очень перегружены — и имеют шум и загрязнение — поэтому город хочет добавить больше функциональности обратно в каналы », — говорит первый автор Луис Матеос, аспирант факультета городских исследований и планирования (DUSP) и исследователь в MIT Senseable City Lab. «Технологии самостоятельного вождения могут сэкономить время, затраты и энергию, а также улучшить движение города вперед».
«Цель состоит в том, чтобы использовать роботизированные устройства для воплощения новых возможностей в жизнь на воде», — добавляет соавтор Даниела Рус, директор Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта (CSAIL) и профессор кафедры электротехники и вычислительной техники Эндрю и Эрна Витерби. Наука. «Новый механизм блокировки очень важен для создания всплывающих структур. Roboat не нуждается в фиксации для автономной транспортировки по воде, но вам нужна блокировка для создания любой конструкции, будь то мобильная или стационарная ».
К Матеосу на бумаге присоединились: Вей Ванг, совместный постдок в CSAIL и Senseable City Lab; Banti Gheneti, аспирант кафедры электротехники и информатики; Фабио Дуарте, научный сотрудник DUSP и Senseable City Lab; и Карло Ратти, директор Senseable City Lab и главный исследователь и профессор практики в DUSP.
Создание связи
Каждый робот оборудован защелкивающимися механизмами, включая шаровые и гнездовые элементы, спереди, сзади и по бокам. Шарообразный компонент напоминает волан для бадминтона — резиновый корпус в форме конуса с металлическим шариком на конце. Компонент гнезда представляет собой широкую воронку, которая направляет шариковый компонент в рецептор. Внутри воронки лазерный луч действует как система безопасности, которая обнаруживает, когда мяч попадает в рецептор. Это активирует механизм с тремя рычагами, который закрывает и захватывает мяч, а также посылает сигнал обратной связи обоим роботам, что соединение установлено.
Со стороны программного обеспечения, роботы работают по индивидуальным методам компьютерного зрения и управления. У каждого робота есть система LIDAR и камера, поэтому они могут автономно перемещаться от точки к точке вокруг каналов. Каждая док-станция — обычно неподвижный робот — имеет лист бумаги, на котором напечатан тег дополненной реальности, называемый AprilTag, который напоминает упрощенный QR-код. AprilTags, которые обычно используются в роботизированных приложениях, позволяют роботам обнаруживать и вычислять их точное трехмерное положение и ориентацию относительно метки.
И AprilTags, и камеры расположены в одинаковых местах в центре роботов. Когда движущийся робот находится примерно в одном или двух метрах от стационарного AprilTag, робот вычисляет свое положение и ориентацию по метке. Как правило, это создаст 3-D карту для движения лодки, включая крен, тангаж и рыскание (слева и справа). Но алгоритм убирает все, кроме рыскания. Это позволяет легко вычислить двухмерную плоскость, которая измеряет расстояние до камеры робота и расстояние слева и справа от метки. Используя эту информацию, робот направляется к метке. Держа камеру и метку идеально выровненными, робот может точно соединяться.
Воронка компенсирует любое смещение в тангаже робота (покачивание вверх и вниз) и подъем (вертикальное движение вверх и вниз), поскольку волны канала относительно невелики. Однако, если робот выходит за пределы своего расчетного расстояния и не получает сигнал обратной связи от лазерного луча, он знает, что пропустил. «В сложных водах иногда роботизированные подразделения в масштабе одной четверти недостаточно сильны, чтобы преодолевать порывы ветра или сильные водные течения», — говорит Матеос. «Логический компонент робота говорит:« Вы пропустили, так что сделайте резервную копию, пересчитайте свою позицию и попробуйте снова ».»
Будущие итерации
В настоящее время исследователи разрабатывают роботизированные блоки, примерно в четыре раза превышающие текущие итерации, поэтому они будут более устойчивыми на воде. Матеос также работает над обновлением воронки, которое включает резиновые захваты, похожие на щупальца, которые затягиваются вокруг булавки — как кальмар, схватывающий свою добычу. Это может помочь дать роботам больше контроля, когда, скажем, они буксируют платформы или других роботов через узкие каналы.
В разработке также находится система, которая отображает AprilTags на ЖК-мониторе, который изменяет коды, чтобы сигнализировать нескольким роботизированным блокам собираться в заданном порядке. Сначала всем роботизированным подразделениям будет дан код, который будет находиться на расстоянии ровно метра друг от друга. Затем код изменяется, чтобы направить первого робота к защелке. После этого на экране переключаются коды для заказа следующего робота для блокировки и так далее. «Это как телефонная игра. Изменяющийся код передает сообщение одному роботу за раз, и это сообщение говорит им, что делать », — говорит Матеос.
Дарвин Колдуэлл, директор по исследованиям Advanced Robotics в Итальянском технологическом институте, предполагает еще больше возможных применений для возможности автономного защелкивания. «Я, безусловно, вижу, что этот тип автономной стыковки используется во многих областях роботизированной« дозаправки »и стыковки… помимо водных / морских систем, — говорит он, — включая дозаправку в воздухе, стыковку в космосе, обработку грузовых контейнеров, [и] роботов. внутренняя перезарядка. ”
Исследование финансировалось Институтом AMS и городом Амстердам.