ROBOATS: Τα αυτόνομα σκάφη μετατόπισης σχήματος του MIT

Ο στόλος των ρομποτικών σκαφών του MIT ενημερώθηκε με νέες δυνατότητες για "μετατόπιση σχήματος", αποσυνδέοντας αυτόνομα και συναρμολογώντας σε διαφορετικές διαμορφώσεις για να σχηματίσουν διάφορες πλωτές πλατφόρμες στα κανάλια του Άμστερνταμ. Σε πειράματα σε μια πισίνα, τα σκάφη αναδιατάχθηκαν από μια συνδεδεμένη ευθεία γραμμή σε ένα "L" (που φαίνεται εδώ) και άλλα σχήματα. Πιστωτική εικόνα: MIT

Οι νέες δυνατότητες επιτρέπουν στους "ρομποτάς" να αλλάζουν διαμορφώσεις για να σχηματίσουν pop-up γέφυρες, στάδια και άλλες δομές.

Ο στόλος των ρομποτικών σκαφών του MIT ενημερώθηκε με νέες δυνατότητες για τη "μετατόπιση σχήματος", αποσυνδέοντας και επανασυνδέοντας αυτόνομα μια ποικιλία διαμορφώσεων, για να σχηματίσουν πλωτές δομές στα πολλά κανάλια του Άμστερνταμ.

Τα αυτόνομα σκάφη - ορθογώνια κύτη, εξοπλισμένα με αισθητήρες, προωθητήρες, μικροελεγκτές, μονάδες GPS, κάμερες και άλλο υλικό - αναπτύσσονται στο πλαίσιο του τρέχοντος προγράμματος "Roboat" μεταξύ του MIT και του Ινστιτούτου Advanced Metropolitan Solutions του Άμστερνταμ. Το έργο είναι υπό την καθοδήγηση των καθηγητών MIT Carlo Ratti, Daniela Rus, Dennis Frenchman και Andrew Whittle. Στο μέλλον, το Άμστερνταμ θέλει τα ρομποτάκια να κρουαζιώσουν τα 165 κανάλια εκκαθάρισης, να μεταφέρουν αγαθά και ανθρώπους, να συλλέγουν σκουπίδια ή να αυτο-συναρμολογούνται σε πλατφόρμες - όπως γέφυρες και στάδια - για να βοηθήσουν στην αποσυμφόρηση των πολυσύχναστων δρόμων της πόλης .

Το 2016, οι ερευνητές του MIT εξέτασαν ένα πρωτότυπο ρομποτάκι που θα μπορούσε να προχωρήσει προς τα εμπρός, προς τα πίσω και πλευρικά κατά μήκος μιας προκαθορισμένης διαδρομής στα κανάλια. Πέρυσι, οι ερευνητές σχεδίασαν εκδόσεις με χαμηλό κόστος, εκτυπωμένες σε τρισδιάστατη κλίμακα των σκαφών, οι οποίες ήταν πιο αποδοτικές και ευκίνητες και εξοπλίστηκαν με προηγμένους αλγορίθμους παρακολούθησης τροχιάς. Τον Ιούνιο, δημιούργησαν έναν αυτόνομο μηχανισμό μανδάλωσης που άφηνε τα σκάφη να στοχεύουν και να κολλάνε μεταξύ τους και να συνεχίσουν να προσπαθούν αν αποτύχουν.

Σε μια νέα δημοσίευση που παρουσιάστηκε στο Διεθνές Συμπόσιο IEEE του περασμένου εβδομάδα σχετικά με τα συστήματα πολλαπλών ρομπότ και πολλαπλών πρακτόρων, οι ερευνητές περιγράφουν έναν αλγόριθμο που επιτρέπει στα ρομποτάκια να αναμορφώνονται ομαλά όσο πιο αποτελεσματικά γίνεται. Ο αλγόριθμος διαχειρίζεται όλο τον προγραμματισμό και την παρακολούθηση που επιτρέπει στις ομάδες μονάδων ρομπότ να ξεκλειδώσουν το ένα από το άλλο σε μία διαμόρφωση, να ταξιδέψουν σε μια διαδρομή χωρίς σύγκρουση και να επανασυνδεθούν στην κατάλληλη θέση τους στη νέα διαμόρφωση.

Σε διαδηλώσεις σε μια δεξαμενή MIT και σε προσομοιώσεις υπολογιστών, ομάδες συνδεδεμένων μονάδων roboat επανατοποθετήθηκαν από ευθείες γραμμές ή τετράγωνα σε άλλες διαμορφώσεις, όπως ορθογώνια και σχήματα "L". Οι πειραματικοί μετασχηματισμοί χρειάστηκαν μόνο λίγα λεπτά. Οι πιο πολύπλοκες μετατοπίσεις μπορεί να διαρκέσουν περισσότερο, ανάλογα με τον αριθμό των κινούμενων μονάδων - που θα μπορούσαν να είναι δεκάδες - και τις διαφορές μεταξύ των δύο σχημάτων.

"Έχουμε επιτρέψει στα ρομποτάκια να κάνουν τώρα και να σπάσουν τις συνδέσεις με άλλα ρομποτάκια, με ελπίδες να κινούνται δραστηριότητες στους δρόμους του Άμστερνταμ στο νερό", λέει ο Rus, διευθυντής του Εργαστηρίου Υπολογιστικής Επιστήμης και Τεχνητής Νοημοσύνης (CSAIL) και του Andrew και Erna Viterbi Καθηγητής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Επιστήμης Υπολογιστών. "Ένα σύνολο σκαφών μπορεί να έρθει μαζί για να σχηματίσει γραμμικά σχήματα ως pop-up γέφυρες, αν χρειαστεί να στείλουμε υλικά ή ανθρώπους από τη μία πλευρά ενός καναλιού στο άλλο. Ή, μπορούμε να δημιουργήσουμε pop-up ευρύτερες πλατφόρμες για αγορές λουλουδιών ή τροφίμων ».

Οι Ρώσοι εντάσσονται στο χαρτί: ο Ratti, διευθυντής του Senseable City Lab του MIT και επίσης από το εργαστήριο ο πρώτος συγγραφέας Banti Gheneti, Ryan Kelly και Drew Meyers, όλοι οι ερευνητές. postdoc πάρκο Shinkyu? και ο ερευνητής Pietro Leoni.

Χωρίς σύγκρουση τροχιά
Για την εργασία τους, οι ερευνητές έπρεπε να αντιμετωπίσουν προκλήσεις με αυτόνομο σχεδιασμό, παρακολούθηση και σύνδεση ομάδων μονάδων ρομποτά. Η παροχή σε κάθε μονάδα μοναδικών δυνατοτήτων, για παράδειγμα, να εντοπίσετε ο ένας τον άλλον, να συμφωνήσετε για το πώς να διαχωρίσετε και να μεταρρυθμίσετε και στη συνέχεια να μετακινηθείτε ελεύθερα, θα απαιτούσε πολύπλοκες τεχνικές επικοινωνίας και ελέγχου που θα μπορούσαν να κάνουν την κίνηση να είναι αναποτελεσματική και αργή.

Για να καταστεί δυνατή η ομαλότερη λειτουργία, οι ερευνητές ανέπτυξαν δύο τύπους μονάδων: συντονιστές και εργαζόμενους. Ένας ή περισσότεροι εργαζόμενοι συνδέονται με έναν συντονιστή για να σχηματίσουν μια ενιαία οντότητα, που ονομάζεται "πλατφόρμα συνδεδεμένων σκαφών" (CVP). Όλες οι μονάδες συντονισμού και εργαζομένων διαθέτουν τέσσερις προπέλες, έναν μικροελεγκτή με δυνατότητα ασύρματης επικοινωνίας και αρκετούς αυτοματοποιημένους μηχανισμούς μανδάλωσης και συστήματα ανίχνευσης που τους επιτρέπουν να συνδεθούν μεταξύ τους.

Οι συντονιστές, ωστόσο, έρχονται εξοπλισμένοι με GPS για πλοήγηση και μια μονάδα μέτρησης αδρανείας (IMU), η οποία υπολογίζει τον εντοπισμό, τη θέση και την ταχύτητα. Οι εργαζόμενοι έχουν μόνο ενεργοποιητές που βοηθούν το CVP να κατευθύνει κατά μήκος μιας διαδρομής. Κάθε συντονιστής γνωρίζει και μπορεί να επικοινωνεί ασύρματα με όλους τους συνδεδεμένους εργαζόμενους. Οι δομές περιλαμβάνουν πολλαπλές CVP και οι μεμονωμένες CVP μπορούν να μανδαλώσουν το ένα το άλλο για να σχηματίσουν μια μεγαλύτερη οντότητα.

Κατά τη διάρκεια της μετατόπισης σχήματος, όλες οι συνδεδεμένες CVP σε μια δομή συγκρίνουν τις γεωμετρικές διαφορές μεταξύ του αρχικού σχήματος και του νέου σχήματος. Στη συνέχεια, κάθε CVP καθορίζει εάν μένει στο ίδιο σημείο και εάν χρειάζεται να κινηθεί. Κάθε μετακινούμενο CVP έχει στη συνέχεια ένα χρόνο για να αποσυναρμολογήσει και μια νέα θέση στο νέο σχήμα.

Κάθε CVP χρησιμοποιεί μια προσαρμοσμένη τεχνική σχεδιασμού τροχιάς για να υπολογίσει έναν τρόπο προσέγγισης της θέσης-στόχου χωρίς διακοπή, ενώ βελτιστοποιεί τη διαδρομή για ταχύτητα. Για να γίνει αυτό, κάθε CVP προπληρώνει όλες τις περιοχές χωρίς σύγκρουση γύρω από το κινούμενο CVP καθώς περιστρέφεται και απομακρύνεται από ένα ακίνητο.
Μετά από την προκαταχώριση αυτών των περιοχών χωρίς σύγκρουση, η CVP βρίσκει στη συνέχεια τη συντομότερη τροχιά στον τελικό προορισμό της, η οποία εξακολουθεί να μην το χτυπάει η σταθερή μονάδα. Συγκεκριμένα, οι τεχνικές βελτιστοποίησης χρησιμοποιούνται για να καταστήσουν την όλη διαδικασία σχεδιασμού τροχιάς πολύ αποτελεσματική, ενώ ο προεγχειρισμός λαμβάνει λίγο περισσότερο από 100 χιλιοστά του δευτερολέπτου για να βρει και να βελτιώσει τις ασφαλείς διαδρομές. Χρησιμοποιώντας δεδομένα από το GPS και το IMU, ο συντονιστής υπολογίζει στη συνέχεια την στάση και την ταχύτητά του στο κέντρο της μάζας και ελέγχει ασύρματα όλες τις έλικες κάθε μονάδας και μετακινείται στη θέση προορισμού.

Στα πειράματά τους, οι ερευνητές εξέτασαν CVP τριών μονάδων, αποτελούμενες από έναν συντονιστή και δύο εργαζόμενους, σε διάφορα σενάρια με διαφορετικά σχήματα. Κάθε σενάριο περιλάμβανε την αποσύνδεση ενός CVP από το αρχικό σχήμα και τη μετακίνηση και την επανασύνδεση σε ένα σημείο στόχευσης γύρω από ένα δεύτερο CVP.

Τρεις CVPs, για παράδειγμα, αναδιατάχθηκαν από μια συνδεδεμένη ευθεία - όπου είχαν μανδαλωθεί μαζί στις πλευρές τους - σε μια ευθεία που συνδέεται μπροστά και πίσω, καθώς και ένα "L." Σε προσομοιώσεις υπολογιστών, έως και 12 μονάδες roboat αναδιατάχθηκαν από, ας πούμε, ένα ορθογώνιο σε τετράγωνο ή από ένα συμπαγές τετράγωνο σε σχήμα Ζ.

Μεγέθυνση
Πειράματα διεξήχθησαν σε μονάδες ρομποτικού τετραγωνικού μεγέθους, οι οποίες έχουν μήκος περίπου 1 μέτρο και πλάτος μισού μέτρου. Αλλά οι ερευνητές πιστεύουν ότι ο αλγόριθμος προγραμματισμού τροχιάς τους θα κλιμακωθεί καλά στον έλεγχο μονάδων πλήρους μεγέθους, οι οποίες θα έχουν μήκος περίπου 4 μέτρα και πλάτος 2 μέτρα.
Σε περίπου ένα χρόνο, οι ερευνητές σκοπεύουν να χρησιμοποιήσουν τα ρομποτάκια για να αποτελέσουν μια δυναμική «γέφυρα» πάνω από ένα κανάλι 60 μέτρων μεταξύ του Μουσείου Επιστημών NEMO στο κέντρο της πόλης του Άμστερνταμ και μιας περιοχής που βρίσκεται σε εξέλιξη. Το έργο, που ονομάζεται RoundAround, θα χρησιμοποιήσει ρομποτάκια για να πλεύσει σε συνεχή κύκλο πέρα από το κανάλι, να σηκώσει και να πετάξει τους επιβάτες στις αποβάθρες και να σταματήσει ή να επανατοποθετήσει όταν εντοπίσουν οτιδήποτε στο δρόμο. Επί του παρόντος, το περπάτημα γύρω από αυτή την πλωτή οδό διαρκεί περίπου 10 λεπτά, αλλά η γέφυρα μπορεί να μειώσει τον χρόνο αυτό σε περίπου δύο λεπτά.

«Αυτή θα είναι η πρώτη γέφυρα του κόσμου που αποτελείται από ένα στόλο αυτόνομων σκαφών», λέει ο Ratti. "Μια τακτική γέφυρα θα ήταν υπερβολικά δαπανηρή, επειδή έχετε πλοία που περνούν, έτσι θα πρέπει να έχετε μια μηχανική γέφυρα που ανοίγει ή μια πολύ υψηλή γέφυρα. Αλλά μπορούμε να συνδέσουμε δύο πλευρές του καναλιού [με τη χρήση] αυτόνομων σκαφών που γίνονται δυναμικές, ανταποκρινόμενες στην αρχιτεκτονική που επιπλέουν στο νερό ".

Για να επιτευχθεί αυτός ο στόχος, οι ερευνητές αναπτύσσουν περαιτέρω τα ρομποτάκια για να εξασφαλίσουν ότι μπορούν να συγκρατήσουν με ασφάλεια τους ανθρώπους και είναι ισχυροί σε όλες τις καιρικές συνθήκες, όπως η έντονη βροχή. Εξασφαλίζουν επίσης ότι τα ρομποτάκια μπορούν να συνδεθούν αποτελεσματικά στις πλευρές των καναλιών, τα οποία μπορεί να διαφέρουν σημαντικά στη δομή και το σχεδιασμό.