De toekomst van vervoer in vaarwaterrijke steden als Amsterdam, Bangkok, en Venetië - waar kanalen langs en onder drukke straten en bruggen lopen - kan autonome boten bevatten die goederen en mensen vervoeren, helpen bij het opruimen van verkeersopstoppingen.

Onderzoekers van MIT's Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) en het Senseable City Lab van het Department of Urban Studies and Planning (DUSP), hebben een stap in die toekomst gezet door een vloot van autonome boten te ontwerpen die een hoge wendbaarheid en nauwkeurige controle bieden. De boten kunnen ook snel 3D-geprint worden met behulp van een goedkope printer, massaproductie haalbaarder maken.

De boten zouden kunnen worden gebruikt om mensen rond te taxiën en goederen af ​​te leveren, straatverkeer te verlichten. In de toekomst, de onderzoekers stellen zich ook voor dat de boten zonder bestuurder worden aangepast om 's nachts stadsdiensten uit te voeren, in plaats van tijdens drukke daglichturen, verdere vermindering van de congestie op zowel wegen als kanalen.

"Stel je voor dat een deel van de infrastructuurdiensten, die meestal overdag op de weg plaatsvinden - leveringen, afvalbeheer, afvalbeheer - tot midden in de nacht, op het water, met behulp van een vloot van autonome boten, " zegt CSAIL-directeur Daniela Rus, co-auteur van een paper waarin de technologie wordt beschreven die deze week wordt gepresenteerd op de IEEE International Conference on Robotics and Automation van deze week.

Bovendien, de boten:rechthoekige rompen van 4 bij 2 meter, uitgerust met sensoren, microcontrollers, GPS-modules, en andere hardware—zou kunnen worden geprogrammeerd om zelf te assembleren tot drijvende bruggen, concertpodia, platforms voor voedselmarkten, en andere structuren in een kwestie van uren. "Opnieuw, sommige van de activiteiten die gewoonlijk op het land plaatsvinden, en die verstoring veroorzaken in hoe de stad beweegt, kan tijdelijk op het water, " zegt Rus, wie is de Andrew en Erna Viterbi hoogleraar elektrotechniek en computerwetenschappen.

De boten kunnen ook worden uitgerust met omgevingssensoren om de wateren van een stad te bewaken en inzicht te krijgen in de stedelijke en menselijke gezondheid.

Co-auteurs op het papier zijn:eerste auteur Wei Wang, een gezamenlijke postdoc in CSAIL en het Senseable City Lab; Luis A. Mateos en Shinkyu-park, beide DUSP-postdocs; Pietro Leoni, een onderzoeker, en Fábio Duarte, een onderzoekswetenschapper, zowel in DUSP als in het Senseable City Lab; Banti Gheneti, een afgestudeerde student bij de afdeling Elektrotechniek en Informatica; en Carlo Ratti, een hoofdonderzoeker en professor van de praktijk in de DUSP en directeur van het MIT Senseable City Lab.

Beter ontwerp en controle

Het werk werd uitgevoerd als onderdeel van het "Roboat"-project, een samenwerking tussen het MIT Senseable City Lab en het Amsterdam Institute for Advanced Metropolitan Solutions (AMS). in 2016, als onderdeel van het project, de onderzoekers testten een prototype dat rond de grachten van de stad voer, vooruit gaan, achteruit, en lateraal langs een voorgeprogrammeerd pad.

De ICRA-paper beschrijft verschillende belangrijke nieuwe innovaties:een snelle fabricagetechniek, een efficiënter en wendbaarder ontwerp, en geavanceerde algoritmen voor het volgen van de baan die de controle verbeteren, precisie docking en vergrendeling, en andere taken.

Om de boten te maken, de onderzoekers 3D-printen een rechthoekige romp met een commerciële printer, het produceren van 16 afzonderlijke secties die aan elkaar werden gesplitst. Het afdrukken duurde ongeveer 60 uur. De voltooide romp werd vervolgens verzegeld door verschillende lagen glasvezel aan te brengen.

Geïntegreerd op de romp zijn een voeding, wifi antenne, GPS, en een minicomputer en microcontroller. Voor nauwkeurige positionering, de onderzoekers gebruikten een ultrasoon bakensysteem voor binnenshuis en realtime kinematische GPS-modules voor buiten, die lokalisatie op centimeterniveau mogelijk maken, evenals een traagheidsmeeteenheid (IMU) -module die de gier en hoeksnelheid van de boot bewaakt, onder andere metrieken.

De boot heeft een rechthoekige vorm, in plaats van de traditionele kajak- of catamaranvormen, om het vaartuig zijwaarts te laten bewegen en om zich aan andere boten te bevestigen bij het monteren van andere constructies. Een ander eenvoudig maar effectief ontwerpelement was de plaatsing van de boegschroef. Vier stuwraketten zijn gepositioneerd in het midden van elke kant, in plaats van op de vier hoeken, voorwaartse en achterwaartse krachten genereren. Dit maakt de boot wendbaarder en efficiënter, zeggen de onderzoekers.

Het team ontwikkelde ook een methode waarmee de boot zijn positie en oriëntatie sneller en nauwkeuriger kan volgen. Om dit te doen, ontwikkelden ze een efficiënte versie van een niet-lineair model voorspellende controle (NMPC) algoritme, over het algemeen gebruikt om robots te besturen en te navigeren binnen verschillende beperkingen.

De NMPC en vergelijkbare algoritmen zijn eerder gebruikt om autonome boten te besturen. Maar meestal worden die algoritmen alleen in simulatie getest of houden ze geen rekening met de dynamiek van de boot. De onderzoekers namen in plaats daarvan in het algoritme vereenvoudigde niet-lineaire wiskundige modellen op die een paar bekende parameters verklaren, zoals de weerstand van de boot, centrifugale en Coriolis-krachten, en toegevoegde massa als gevolg van versnellen of vertragen in water. De onderzoekers gebruikten ook een identificatie-algoritme dat vervolgens onbekende parameters identificeert terwijl de boot op een pad wordt getraind.

Eindelijk, de onderzoekers gebruikten een efficiënt voorspellend-controleplatform om hun algoritme uit te voeren, die snel aanstaande acties kan bepalen en de snelheid van het algoritme met twee ordes van grootte verhoogt ten opzichte van vergelijkbare systemen. Terwijl andere algoritmen in ongeveer 100 milliseconden worden uitgevoerd, het algoritme van de onderzoekers duurt minder dan 1 milliseconde.

De wateren testen

Om de werkzaamheid van het regelalgoritme aan te tonen, de onderzoekers gebruikten een kleiner prototype van de boot langs vooraf geplande paden in een zwembad en in de Charles River. In de loop van 10 testritten, de onderzoekers observeerden gemiddelde volgfouten - in positionering en oriëntatie - kleiner dan volgfouten van traditionele besturingsalgoritmen.

Die nauwkeurigheid is bedankt, gedeeltelijk, naar de ingebouwde GPS- en IMU-modules van de boot, die positie en richting bepalen, respectievelijk, tot op de centimeter. Het NMPC-algoritme verwerkt de gegevens van die modules en weegt verschillende meetwaarden om de boot te sturen. Het algoritme is geïmplementeerd in een controllercomputer en regelt elke boegschroef afzonderlijk, update elke 0,2 seconden.

"De controller houdt rekening met de bootdynamiek, huidige staat van de boot, stuwkracht beperkingen, en referentiepositie voor de komende seconden, om te optimaliseren hoe de boot op het pad vaart, " Zegt Wang. "Dan kunnen we de optimale kracht vinden voor de stuwraketten die de boot terug naar het pad kunnen brengen en fouten kunnen minimaliseren."

De innovaties in ontwerp en fabricage, evenals snellere en nauwkeurigere besturingsalgoritmen, wijzen op haalbare boten zonder bestuurder die worden gebruikt voor transport, aanmeren, en zelfmontage in platforms, zeggen de onderzoekers.

Een volgende stap voor het werk is het ontwikkelen van adaptieve controllers om rekening te houden met veranderingen in massa en weerstand van de boot bij het vervoeren van mensen en goederen. De onderzoekers verfijnen ook de controller om rekening te houden met golfverstoringen en sterkere stromingen.

"We hebben eigenlijk ontdekt dat de Charles River veel meer stroming heeft dan in de grachten in Amsterdam, ", zegt Wang. "Maar er zullen veel boten rondvaren, en grote boten zullen grote stromingen brengen, dus daar moeten we nog over nadenken."