MIT的機(jī)器船艦隊升級了！這次機(jī)器船學(xué)會了變形

MIT的機(jī)器船艦隊升級了！這次機(jī)器船學(xué)會了變形?？梢赃\貨載人、遇到障礙還可自己搭橋鋪路，有效緩解交通擁堵，實驗顯示將60米寬的運河的通行時間由10分鐘縮短至2分鐘。

近日，麻省理工學(xué)院(MIT)宣布，它的機(jī)器船艦隊“Roboat”已經(jīng)升級，具備了“變形”的新能力！

研究人員通過自動斷開并重新組裝成各種配置，可以在阿姆斯特丹的許多運河中形成浮動結(jié)構(gòu)。

Roboat是什么，有什么用？

roboats 這些自動駕駛船是配備傳感器、推進(jìn)器、微控制器、GPS模塊、攝像機(jī)和其他硬件的矩形船體，是麻省理工學(xué)院和阿姆斯特丹先進(jìn)都市解決方案研究所(AMS Institute)正在進(jìn)行的“Roboat”項目的一部分。

該項目由麻省理工學(xué)院教授Carlo Ratti, Daniela Rus, Dennis Frenchman和 Andrew Whittle領(lǐng)導(dǎo)。

未來，阿姆斯特丹希望這些機(jī)器人能在165條蜿蜒的運河上巡游，運送貨物和人員，收集垃圾，或自行組裝成“彈出式”平臺——比如橋梁和舞臺——以幫助緩解城市繁忙街道上的擁堵。

2016年，麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員測試了一個機(jī)器人原型，它可以沿著運河中預(yù)先設(shè)定的路徑向前、向后和橫向移動。 去年，研究人員設(shè)計了低成本、3D打印、四分之一規(guī)模版本的船，這些船更加高效靈活，并配備了先進(jìn)的軌跡跟蹤算法。6月，他們創(chuàng)造了一種自動鎖定機(jī)制，讓船只相互瞄準(zhǔn)并相互扣合，如果失敗則繼續(xù)嘗試。

在上周IEEE多機(jī)器人和多智能體系統(tǒng)國際研討會上發(fā)表的一篇新論文中，研究人員描述了一種算法，該算法能讓roboat盡可能順利地重塑自己。

該算法處理所有的計劃和跟蹤，使roboa單元組能夠在一個集合配置中彼此解鎖，以無碰撞的路徑移動，并重新連接到新集合配置中的適當(dāng)位置。

在麻省理工學(xué)院的演示池和計算機(jī)模擬中，一組組相連的roboa單元將自己從直線或正方形重新排列成其他形狀，比如矩形和“L”形。

實驗轉(zhuǎn)換只花了幾分鐘。更復(fù)雜的形狀變化可能需要更長的時間，這取決于移動單元的數(shù)量(可能是幾十個)和兩種形狀之間的差異。

“我們已經(jīng)讓現(xiàn)在的roboats與其他roboats建立和斷開聯(lián)系,希望將阿姆斯特丹街頭的活動轉(zhuǎn)移到水面上，”羅斯說,計算機(jī)科學(xué)與人工智能實驗室的主任(CSAIL)和Erna Viterbi比電氣工程和計算機(jī)科學(xué)的教授。

“如果我們需要將材料或人員從運河的一邊運送到另一邊，那么一組船可以組合成線性形狀，就像彈出式橋梁一樣?！被蛘?，我們可以為花卉或食品市場創(chuàng)建更大的彈出式平臺。”

如何規(guī)劃無碰撞路徑？

在他們的工作中，研究人員必須通過自主規(guī)劃、跟蹤和連接roboat組來應(yīng)對挑戰(zhàn)。例如，要讓每個單元都具有獨特的功能，比如定位彼此、就如何拆分和改革達(dá)成一致、然后自由移動，這就需要復(fù)雜的通信和控制技術(shù)，而這些技術(shù)可能會使移動變得低效和緩慢。

為了使操作更加順暢，研究人員開發(fā)了兩種類型的單元:協(xié)調(diào)器coordinator和工作器worker。一個或多個worker連接到一個協(xié)調(diào)器，形成一個實體，稱為“連接容器平臺”(connection -vessel platform, CVP)。

所有的協(xié)調(diào)器和worker都有四個螺旋槳，一個無線微控制器，幾個自動鎖存機(jī)構(gòu)和傳感系統(tǒng)，使它們能夠連接在一起。

然而，協(xié)調(diào)器也配備了GPS導(dǎo)航和慣性測量單元(IMU)，用于計算定位、姿勢和速度。worker只有能夠幫助CVP沿著路徑轉(zhuǎn)向的執(zhí)行器。

每個協(xié)調(diào)器都知道并可以與所有連接的worker進(jìn)行無線通信。結(jié)構(gòu)由多個CVP組成，單個CVP可以相互連接，形成一個更大的實體。

在變形過程中，結(jié)構(gòu)中所有連接的CVP都會比較其初始形狀和新形狀之間的幾何差異。

然后，每個CVP決定它是否停留在同一位置以及是否需要移動。然后，每個移動的CVP被分配一個時間來拆卸，并在新形狀中設(shè)置一個新位置。每個CVP使用自定義軌跡規(guī)劃技術(shù)來計算在不中斷的情況下到達(dá)目標(biāo)位置的方式，同時優(yōu)化路線以提高速度。

為此，每個CVP預(yù)先計算移動CVP周圍的所有無碰撞區(qū)域，使其旋轉(zhuǎn)并遠(yuǎn)離靜止CVP。

在預(yù)先計算了這些無碰撞區(qū)域之后，CVP然后找到到達(dá)其最終目的地的最短軌跡，這仍然使其不會撞擊靜止單元。 值得注意的是，優(yōu)化技術(shù)被用來使整個軌跡規(guī)劃過程非常有效，預(yù)先計算只需100毫秒多一點就可以找到和細(xì)化安全路徑。

協(xié)調(diào)器利用GPS和IMU提供的數(shù)據(jù)，估計出它在質(zhì)心處的位置和速度，并通過無線網(wǎng)絡(luò)控制每個單元的所有螺旋槳，然后移動到目標(biāo)位置。 在實驗中，研究人員在幾種不同的變形場景中測試了三個單元的CVP，包括一個協(xié)調(diào)器和兩個worker。

每個場景都包括一個CVP從初始形狀解鎖，然后在第二個CVP前后移動并重新連接到目標(biāo)點。

例如，三個CVP從一條相連的直線重新排列 - 它們在兩側(cè)被鎖在一起 - 成為一條連接在前后的直線，也就是一個“L”型。

在計算機(jī)模擬中，多達(dá)12個roboat單元將自己從矩形重新排列成正方形或從實心正方形重新排列成Z形。更大的“動態(tài)橋梁”來襲！ 實驗是在四分之一大小的船形機(jī)器人身上進(jìn)行的，它們長約一米，寬約半米。但研究人員相信，他們的軌跡規(guī)劃算法在控制全尺寸單位時可以很好地擴(kuò)展，這些單位的長度約為4米，寬度為2米。

在大約一年的時間里，研究人員計劃利用該roboat在阿姆斯特丹市中心的尼莫科學(xué)博物館和一個正在開發(fā)的區(qū)域之間架起一座橫跨60米運河的動態(tài)“橋梁”。

這個名為RoundAround的項目將使用roboat在運河上連續(xù)航行，在碼頭接載乘客，當(dāng)他們發(fā)現(xiàn)路上有任何東西時，就會停下來或改道。目前，在這條水道上行走大約需要10分鐘，但這座橋可以把這段時間縮短到大約兩分鐘。

“這將是世界上第一座由自動駕駛船隊組成的橋梁，”Ratti 說?！耙蛔胀ǖ臉蚍浅０嘿F，因為你有船通過，所以你需要一座開放的機(jī)械橋或一座很高的橋。但我們可以(通過)自主船只連接運河兩岸，使其成為漂浮在水面上的動態(tài)、靈敏的建筑?！?br />
為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員正在進(jìn)一步開發(fā)roboat，以確保它們能夠安全地載人，并且能夠適應(yīng)各種天氣條件，例如大雨。

他們還確保roboat可以有效地連接到運河的兩側(cè)，這可能在結(jié)構(gòu)和設(shè)計上都有很大差異。