Исследователи Массачусетского технологического института разработали парк автономных лодок, которые обеспечивают высокую маневренность и точное управление.
Исследователи проектируют напечатанные на 3D-принтере беспилотные лодки, которые могут обеспечивать транспортировку и самостоятельно собираться в другие плавучие конструкции
Роб Мэтисон | Офис новостей Массачусетского технологического института
Будущее транспорта в богатых водными путями городах, таких как Амстердам, Бангкок и Венеция, где каналы проходят вдоль и под оживленными улицами и мостами, может включать в себя автономные лодки, которые перевозят товары и людей, помогая очистить пробки на дорогах.
Исследователи из Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (CSAIL) и лаборатории Senseable City Департамента городских исследований и планирования (DUSP) сделали шаг навстречу этому будущему, разработав парк автономных лодки, которые предлагают высокую маневренность и точное управление. Лодки также можно быстро распечатать в 3D на недорогом принтере, что делает массовое производство более осуществимым.
Лодки можно использовать для такси и доставки товаров, облегчая уличное движение. В будущем исследователи также предполагают, что беспилотные лодки будут приспособлены для выполнения городских услуг в ночное время, а не в напряженные дневные часы, что еще больше уменьшит заторы на дорогах и каналах.
«Представьте себе перенос некоторых инфраструктурных услуг, которые обычно выполняются в течение дня в дороге - доставку, вывоз мусора, вывоз мусора - на середину ночи, на воду, с использованием парка автономных лодки», - говорит директор CSAIL Даниэла Рус, соавтор статьи, описывающей технологию, которая будет представлена на Международной конференции IEEE по робототехнике и автоматизации на этой неделе.
Более того, лодки - прямоугольные корпуса размером 4 на 2 метра, оснащенные датчиками, микроконтроллерами, модулями GPS и другим оборудованием - можно запрограммировать на самосборку в наплавные мосты, концертные сцены, платформы для продовольственных рынков и других сооружений за считанные часы.«Опять же, некоторые виды деятельности, которые обычно происходят на суше и вызывают нарушение движения города, можно временно выполнять на воде», - говорит Рус, профессор электротехники Эндрю и Эрны Витерби. Инженерия и информатика.
Лодки также могут быть оснащены датчиками окружающей среды для наблюдения за городскими водами и получения информации о здоровье горожан и людей.
Соавторами статьи являются: первый автор Вэй Ван, совместный постдоктор CSAIL и Senseable City Lab; Луис А. Матеос и Шинкью Пак, постдоки DUSP; Пьетро Леони, научный сотрудник, и Фабио Дуарте, научный сотрудник, как в DUSP, так и в Senseable City Lab; Банти Генети, аспирант кафедры электротехники и информатики; и Карло Ратти, главный исследователь и профессор практики в DUSP и директор лаборатории MIT Senseable City Lab.
Улучшенный дизайн и управление
Работа проводилась в рамках проекта «Roboat», созданного совместно Лабораторией Senseable City Lab Массачусетского технологического института и Амстердамским институтом передовых городских решений (AMS). В 2016 году в рамках проекта исследователи протестировали прототип, который курсировал по городским каналам, двигаясь вперед, назад и в стороны по заранее запрограммированному пути.
В документе ICRA подробно описывается несколько важных нововведений: технология быстрого изготовления, более эффективная и гибкая конструкция и усовершенствованные алгоритмы отслеживания траектории, которые улучшают управление, точную стыковку и фиксацию и другие задачи.
Чтобы сделать лодки, исследователи напечатали на 3D-принтере прямоугольный корпус на коммерческом принтере, получив 16 отдельных секций, которые были соединены вместе. Печать заняла около 60 часов. Затем готовый корпус был запечатан несколькими слоями стекловолокна.
В корпус встроены блок питания, антенна Wi-Fi, GPS, а также миникомпьютер и микроконтроллер. Для точного позиционирования исследователи включили внутреннюю систему ультразвуковых маяков и наружные кинематические модули GPS в режиме реального времени, которые позволяют определять местоположение на сантиметровом уровне, а также модуль инерциального измерительного блока (IMU), который отслеживает рыскание лодки и угловую скорость, среди другие показатели.
Лодка имеет прямоугольную форму, а не традиционные формы каяка или катамарана, что позволяет судну двигаться боком и прикрепляться к другим лодкам при сборке других конструкций. Еще одним простым, но эффективным элементом дизайна было размещение двигателя. Четыре подруливающих устройства расположены в центре каждой стороны, а не по четырем углам, создавая силы, направленные вперед и назад. По словам исследователей, это делает лодку более маневренной и эффективной.
Команда также разработала метод, который позволяет лодке быстрее и точнее отслеживать свое положение и ориентацию. Для этого они разработали эффективную версию алгоритма управления с прогнозированием нелинейной модели (NMPC), обычно используемого для управления и навигации роботов в рамках различных ограничений.
NMPC и аналогичные алгоритмы уже использовались для управления автономными лодками. Но обычно эти алгоритмы тестируются только в моделировании или не учитывают динамику лодки. Вместо этого исследователи включили в алгоритм упрощенные нелинейные математические модели, которые учитывают несколько известных параметров, таких как сопротивление лодки, центробежные силы и силы Кориолиса, а также добавленную массу из-за ускорения или замедления в воде. Исследователи также использовали алгоритм идентификации, который затем идентифицирует любые неизвестные параметры, когда лодка обучается на пути.
Наконец, исследователи использовали эффективную платформу предиктивного управления для запуска своего алгоритма, который может быстро определять предстоящие действия и увеличивает скорость алгоритма на два порядка по сравнению с аналогичными системами. В то время как другие алгоритмы выполняются примерно за 100 миллисекунд, алгоритм исследователей занимает менее 1 миллисекунды.
Проверка почвы
Чтобы продемонстрировать эффективность алгоритма управления, исследователи развернули меньший прототип лодки по заранее запланированным маршрутам в бассейне и на реке Чарльз. В ходе 10 тестов исследователи обнаружили, что средние ошибки отслеживания - в позиционировании и ориентации - меньше, чем ошибки отслеживания традиционных алгоритмов управления.
Такая точность отчасти достигается за счет встроенных в лодку модулей GPS и IMU, которые определяют положение и направление соответственно с точностью до сантиметра. Алгоритм NMPC обрабатывает данные из этих модулей и взвешивает различные показатели, чтобы правильно управлять лодкой. Алгоритм реализован в управляющем компьютере и регулирует каждый двигатель отдельно, обновляя данные каждые 0,2 секунды.
«Контроллер учитывает динамику лодки, текущее состояние лодки, ограничения тяги и исходное положение в течение следующих нескольких секунд, чтобы оптимизировать движение лодки по маршруту», - говорит Ван.«Тогда мы можем найти оптимальное усилие для подруливающих устройств, которое может вернуть лодку на путь и свести к минимуму ошибки».
Инновации в дизайне и производстве, а также более быстрые и точные алгоритмы управления указывают на возможность использования беспилотных лодок для транспортировки, стыковки и самостоятельной сборки в платформы, говорят исследователи.
Следующим этапом работы является разработка адаптивных контроллеров для учета изменений массы и лобового сопротивления лодки при перевозке людей и грузов. Исследователи также совершенствуют контроллер, чтобы он учитывал волновые возмущения и более сильные течения.
«На самом деле мы обнаружили, что течение реки Чарльз гораздо сильнее, чем в каналах Амстердама, - говорит Ван. «Но вокруг будет много лодок, а большие лодки будут приносить большие течения, так что нам все равно нужно это учитывать».
Работа поддержана грантом AMS.
Перепечатано с разрешения MIT News