自主艇可以瞄准并相互锁定

阿姆斯特丹市设想了一个未来,自由船队在其许多运河上巡航,运输货物和人员,收集垃圾,或自行组装成浮动阶段和桥梁。为了进一步实现这一愿景,麻省理工学院的研究人员为他们的机器人船队提供了新的能力 - 这些船只正在作为正在进行的项目的一部分开发 - 让他们瞄准并相互扣紧,并在失败时继续努力。

阿姆斯特丹大约四分之一的面积是水,165条运河在繁忙的城市街道上蜿蜒而行。几年前,麻省理工学院和阿姆斯特丹高级大都市解决方案研究所(AMS Institute)联手开展了“Roboat”项目。我们的想法是建立一支自动机器人船队 - 配备传感器,推进器,微控制器,GPS模块,摄像机和其他硬件的矩形船体 - 提供智能的水上移动性,以缓解城市繁忙街道的拥堵。

项目的目标之一是创建在水路上提供按需运输的船舶单元。另一个目标是使用游艇单元自动形成“弹出”结构,例如脚桥,演出阶段,甚至食品市场。然后,结构可以在设定的时间自动拆卸,并重新构建为不同活动的目标结构。此外,这些游艇可用作敏捷传感器,用于收集城市基础设施,空气和水质等数据。

2016年,麻省理工学院的研究人员测试了一艘在阿姆斯特丹运河周围巡航的船只原型,沿着预编程路径前进,后退和横向移动。去年,研究人员设计了低成本,3D打印,四分之一规模版本的船,这些船更加高效灵活,并配备了先进的轨迹跟踪算法。

在国际机器人和自动化大会上发表的一篇论文中,研究人员描述了现在可以识别并连接到扩展坞的船只单元。控制算法将roboats引导至目标,在那里它们自动连接到具有毫米精度的定制锁定机构。此外,如果船只错过了连接,备份并再次尝试,则会发出通知。

研究人员在麻省理工学院和查尔斯河的游泳池中测试了闩锁技术,那里的水域比较粗糙。在这两种情况下,游艇单元通常能够在大约10秒内成功连接,从大约1米远处开始,或者在几次尝试失败后成功连接。在阿姆斯特丹,该系统对于隔夜垃圾收集尤其有用。Roboat单位可以在运河周围航行,找到并锁定在装有垃圾箱的平台上,然后将它们运回收集设施。

“在阿姆斯特丹,运河曾被用于运输和道路现在用于其他的东西。运河附近的道路现在非常拥挤 - 并且有噪音和污染 - 因此该市希望将更多功能添加回运河,”第一作者Luis Mateos说,他是城市研究与规划系(DUSP)的研究生,也是麻省理工学院Senseable City Lab的研究员。“自动驾驶技术可以节省时间,成本和能源,并改善城市向前发展。”

“目的是利用游艇装置为水上生活增添新的能力,”计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)主任Daniela Rus和电气工程与计算机Andrew and Erna Viterbi教授补充道。科学。“新的锁定机制对于创建弹出结构非常重要.Roboat不需要锁定在水上进行自主运输,但是你需要锁定来创建任何结构,无论是移动还是固定。”

在纸上加入Mateos的是:王伟,CSAIL和Senseable City Lab的联合博士后;Banti Gheneti,电气工程与计算机科学系研究生;Fabio Duarte,DUSP和Senseable City Lab研究科学家;和Senseable City Lab的主任Carlo Ratti以及DUSP的首席研究员兼实践教授Carlo Ratti。

建立联系

每个游艇在其前部,后部和侧面都配备有闩锁机构,包括球形和插座部件。球组件类似羽毛球羽毛球 - 一种锥形橡胶体,末端带有金属球。插座组件是一个宽的漏斗,将球组件引导到接收器中。在漏斗内部,激光束的作用类似于安全系统,可以检测球何时进入受体。这激活了一个机械装置,其中三个臂围绕并捕获球,同时还向两个直升机发送反馈信号,表明连接已完成。

在软件方面,roboats运行定制计算机视觉和控制技术。每艘游艇都有一个激光雷达系统和摄像头,因此他们可以在运河周围自动地从一个点移动到另一个点。每个停靠站 - 通常是一艘不动的游艇 - 都有一张纸上印有增强现实标签,称为AprilTag,类似于简化的QR码。AprilTags通常用于机器人应用,使机器人能够检测和计算相对于标签的精确三维位置和方向。

AprilTags和摄像机都位于直升机中心的相同位置。当旅行的游艇离静止的AprilTag大约一或两米时,游艇计算其对标签的位置和方向。通常,这将生成用于船舶运动的3-D地图,包括滚转,俯仰和偏航(左和右)。但算法剥离了除偏航之外的所有东西。这产生了一个易于计算的2-D平面,可以测量游艇相机的距离以及标签左右两侧的距离。使用该信息,游艇将自己引向标签。通过保持相机和标签完美对齐,游艇能够精确连接。

由于运河波浪相对较小,漏斗可以补偿船体俯仰(上下摆动)和起伏(垂直上下)的任何不对中。然而,如果游艇超出其计算的距离,并且没有从激光束接收到反馈信号,则它知道它已经错过了。“在具有挑战性的水域中,有时目前四分之一规模的潜水艇单元不足以克服阵风或重水流,”Mateos说。“游艇上的一个逻辑组件说,'你错过了,所以备份,重新计算你的位置,然后再试一次。'”

未来的迭代

研究人员现在设计的roboat单位大约是当前迭代次数的四倍,因此它们在水上会更稳定。Mateos还在努力对漏斗进行更新,其中包括触针周围的触手式橡胶夹持器 - 就像鱿鱼抓住它的猎物一样。这可能有助于让游艇单元更好地控制,例如,他们是通过狭窄的运河拖曳平台或其他直升机。

在工作中还有一个系统,它在LCD监视器上显示AprilTags,它改变代码以指示多个roboat单元按给定顺序组装。首先,所有的游艇单元都将获得一个代码,以保持相距一米的距离。然后,代码改变以指示第一个游艇锁定。之后,屏幕切换代码以命令下一个游艇锁定,依此类推。“就像电话游戏一样。改变的代码一次将信息传递给一艘游艇,而这条消息告诉他们要做什么,”Mateos说。

该研究由AMS研究所和阿姆斯特丹市资助。