阿姆斯特丹，曼谷和威尼斯等水路豐富的城市的交通運(yùn)輸?shù)奈磥?lái) - 運(yùn)河沿著繁華的街道和橋梁運(yùn)行 - 可能包括運(yùn)送貨物和人員的自動(dòng)船，幫助清理道路擁堵。

來(lái)自麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室(CSAIL)和城市研究與規(guī)劃系(DUSP)的Senseable City Lab的研究人員通過(guò)設(shè)計(jì)一系列具有高機(jī)動(dòng)性和精確控制的自動(dòng)駕駛船，邁向了未來(lái)。 。這些船也可以使用低成本打印機(jī)快速進(jìn)行3D打印，從而使批量生產(chǎn)更加可行。

這些船可以用來(lái)打擾周圍的人并運(yùn)送貨物，緩解街道交通。在未來(lái)，研究人員還設(shè)想無(wú)人駕駛船只適應(yīng)夜間進(jìn)行城市服務(wù)，而不是在繁忙的白天時(shí)間，進(jìn)一步減少道路和運(yùn)河的擁堵。

“想象一下，將一些通常在白天上路的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù) - 交付，垃圾管理，廢物管理 - 轉(zhuǎn)移到半夜，在水面上，使用一隊(duì)自動(dòng)船，”CSAIL總監(jiān)說(shuō)。 Daniela Rus是一篇論文的合著者，該論文描述了本周IEEE機(jī)器人與自動(dòng)化國(guó)際會(huì)議上提出的技術(shù)。

此外，船只 - 配備傳感器，微控制器，GPS模塊和其他硬件的矩形4×2米船體 - 可編程為自組裝成浮橋，音樂(lè)會(huì)舞臺(tái)，食品市場(chǎng)平臺(tái)和其他在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)完成結(jié)構(gòu)。“再次，一些通常在陸地上進(jìn)行的活動(dòng)，以及對(duì)城市如何移動(dòng)造成干擾的活動(dòng)，可以臨時(shí)在水上進(jìn)行，”Rus說(shuō)，他是Andrew和Erna Viterbi電氣教授工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)。

這些船還可以配備環(huán)境傳感器，以監(jiān)測(cè)城市的水域，并深入了解城市和人類的健康狀況。

該論文的共同作者是：第一作者Wei Wang，CSAIL和Senseable City Lab的聯(lián)合博士后; DUSP博士后路易斯A.Mateos和Shinkyu Park; 研究員Pietro Leoni和研究科學(xué)家FábioDuarte都在DUSP和Senseable City Lab; Banti Gheneti，電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系研究生; 和Carlo Ratti，DUSP的主要研究員和實(shí)踐教授，以及MIT Senseable City Lab的主任。

更好的設(shè)計(jì)和控制

這項(xiàng)工作是作為“Roboat”項(xiàng)目的一部分進(jìn)行的，這是麻省理工學(xué)院Senseable City Lab和阿姆斯特丹高級(jí)大都市解決方案研究所(AMS)之間的合作。2016年，作為該項(xiàng)目的一部分，研究人員測(cè)試了一個(gè)原型，該原型在城市的運(yùn)河周圍巡航，沿著預(yù)編程的路徑向前，向后和橫向移動(dòng)。

ICRA論文詳述了幾項(xiàng)重要的新創(chuàng)新：快速制造技術(shù)，更高效靈活的設(shè)計(jì)，以及先進(jìn)的軌跡跟蹤算法，可改善控制，精確對(duì)接和鎖定以及其他任務(wù)。

為了制造這些船，研究人員用商業(yè)打印機(jī)進(jìn)行了三維打印矩形船體，生產(chǎn)了16個(gè)拼接在一起的獨(dú)立部分。印刷耗時(shí)約60小時(shí)。然后通過(guò)粘附幾層玻璃纖維密封完成的船體。

集成在船體上的是電源，Wi-Fi天線，GPS以及小型計(jì)算機(jī)和微控制器。為了實(shí)現(xiàn)精確定位，研究人員采用了室內(nèi)超聲信標(biāo)系統(tǒng)和室外實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)GPS模塊，可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位，以及慣性測(cè)量單元(IMU)模塊，可監(jiān)測(cè)船只的偏航和角速度。其他指標(biāo)。

船是矩形的，而不是傳統(tǒng)的皮劃艇或雙體船形狀，以允許船在側(cè)面移動(dòng)并在組裝其他結(jié)構(gòu)時(shí)將其自身附著到其他船上。另一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的設(shè)計(jì)元素是推進(jìn)器放置。四個(gè)推進(jìn)器位于每側(cè)的中心，而不是四個(gè)角，產(chǎn)生向前和向后的力。研究人員說(shuō)，這使得船更加靈活和高效。

該團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了一種方法，使船能夠更快，更準(zhǔn)確地跟蹤其位置和方向。為此，他們開(kāi)發(fā)了非線性模型預(yù)測(cè)控制(NMPC)算法的有效版本，通常用于在各種約束內(nèi)控制和導(dǎo)航機(jī)器人。

NMPC和類似的算法之前已被用于控制自主艇。但通常這些算法僅在模擬中進(jìn)行測(cè)試，或者不考慮船的動(dòng)態(tài)。研究人員在算法中引入了簡(jiǎn)化的非線性數(shù)學(xué)模型，該模型考慮了一些已知參數(shù)，例如船的阻力，離心力和科里奧利力，以及由于水中加速或減速而增加的質(zhì)量。研究人員還使用了一種識(shí)別算法，然后在船只在路徑上訓(xùn)練時(shí)識(shí)別任何未知參數(shù)。

最后，研究人員使用一個(gè)有效的預(yù)測(cè)控制平臺(tái)來(lái)運(yùn)行他們的算法，該算法可以快速確定即將發(fā)生的行為，并將算法的速度提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。雖然其他算法在大約100毫秒內(nèi)執(zhí)行，但研究人員的算法只需不到1毫秒。

測(cè)試水域

為了證明控制算法的功效，研究人員在游泳池和查爾斯河的預(yù)先計(jì)劃路徑上部署了一個(gè)較小的船型。在10次測(cè)試過(guò)程中，研究人員觀察到平均跟蹤誤差 - 定位和定向 - 小于傳統(tǒng)控制算法的跟蹤誤差。

這種精確度部分歸功于船上的GPS和IMU模塊，它們分別確定位置和方向，直至厘米。NMPC算法處理來(lái)自這些模塊的數(shù)據(jù)，并權(quán)衡各種指標(biāo)以使船真實(shí)。該算法在控制器計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)，并單獨(dú)調(diào)節(jié)每個(gè)推進(jìn)器，每0.2秒更新一次。

“控制器會(huì)考慮船的動(dòng)力學(xué)，船的當(dāng)前狀態(tài)，推力限制以及未來(lái)幾秒鐘的參考位置，以優(yōu)化船在路徑上行駛的方式，”王說(shuō)。“然后我們可以為推進(jìn)器找到最佳的力量，可以將船帶回路徑并最大限度地減少錯(cuò)誤。”

研究人員表示，設(shè)計(jì)和制造方面的創(chuàng)新，以及更快，更精確的控制算法，都指向用于運(yùn)輸，對(duì)接和自組裝成平臺(tái)的可行無(wú)人駕駛船。

這項(xiàng)工作的下一步是開(kāi)發(fā)自適應(yīng)控制器，以便在運(yùn)輸人員和貨物時(shí)考慮到船的質(zhì)量和阻力的變化。研究人員還在改進(jìn)控制器，以解決波浪干擾和更強(qiáng)的電流問(wèn)題。

“我們實(shí)際上發(fā)現(xiàn)查爾斯河比阿姆斯特丹的運(yùn)河有更多的電流，”王說(shuō)。“但是會(huì)有很多小船在四處移動(dòng)，大船會(huì)帶來(lái)很大的水流，所以我們?nèi)匀恍枰紤]這個(gè)問(wèn)題。”