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工程师建造可变形的自主船队
2020年10月19日    阅读量:2738     新闻来源:中国机械网 okmao.com    |  投稿

麻省理工学院的机器人船队已经更新,具有新的功能,可以通过自动断开连接并重新组装成各种配置,在阿姆斯特丹的许多运河中形成浮动结构,从而实现“变形”。


工程师建造可变形的自主船队 中国机械网,okmao.com


作为MIT和阿姆斯特丹高级城市解决方案研究所(AMS Institute)之间正在进行的“ Roboat”项目的一部分,正在开发自动船,即装有传感器,推进器,微控制器,GPS模块,照相机和其他硬件的矩形船体。


该项目由麻省理工学院的教授Carlo Ratti,Daniela Rus,Dennis Frenchman和Andrew Whittle领导中国机械网okmao.com。将来,阿姆斯特丹希望这些游艇在165条蜿蜒的运河中巡游,运送货物和人员,收集垃圾或自行组装到“弹出式”平台(例如桥梁和舞台)中,以帮助缓解城市繁忙街道上的拥挤状况。


2016年,麻省理工学院的研究人员测试了一种可以在运河中预先设定的路径上前进,后退和横向移动的游艇原型。


去年,研究人员设计了低成本,3D打印,四分之一比例的船型,效率更高,更加灵活,并配备了先进的轨迹跟踪算法。在6月,他们创建了一种自主的闩锁机制,使船只可以互相瞄准并相互扣紧,并在失败时继续尝试。


在上周的IEEE多机器人和多智能体系统国际研讨会上发表的一篇新论文中,研究人员描述了一种算法,该算法可使船艇尽可能高效地平滑重塑自身。


该算法处理所有计划和跟踪,从而使成组的船艇单元可以在一组固定配置中彼此解锁,行进无碰撞路径并重新附着到新的固定配置上的适当位置。


在MIT池中的演示和计算机仿真中,成组的相连轮船单元从直线或正方形重新排列为其他配置,例如矩形和“ L”形。


实验性转换仅花费了几分钟。更复杂的变形可能需要更长的时间,具体取决于移动单位的数量(可能是几十个)以及两个形状之间的差异。


计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)和安德鲁(Andrew)的负责人罗斯(Rus)说:“我们已经使这些木船现在能够与其他木船建立和断开连接,希望将阿姆斯特丹街头的活动转移到水上。”以及电气工程和计算机科学教授Erna Viterbi。“


如果我们需要将材料或人员从运河的一侧传送到另一侧,则一组船可以聚在一起形成线性形状,成为弹出式桥梁。或者,我们可以为花朵或食物创建弹出式更宽的平台市场。”


加入Rus的是:麻省理工学院感官城市实验室主任Ratti,以及来自该实验室的第一作者Banti Gheneti,Ryan Kelly和Drew Meyers,他们都是研究人员。博士后Shinkyu公园;和彼得罗·莱昂尼(Pietro Leoni)研究员。


无碰撞轨迹


对于他们的工作,研究人员必须通过自主计划,跟踪和连接船艇组来应对挑战。赋予每个单元独特的功能,例如,彼此定位,就如何分解和改造达成共识,然后自由移动,这将需要复杂的通信和控制技术,这会使运动效率低下且缓慢。


为了使操作更流畅,研究人员开发了两种类型的单位:协调员和工人。一个或多个工人与一个协调员连接以形成一个单一实体,称为“连接容器平台”(CVP)。所有协调员和工作人员单元都有四个螺旋桨,一个启用无线的微控制器以及几个使它们能够链接在一起的自动闩锁机构和传感系统。


但是,协调器还配备了用于导航的GPS和一个惯性测量单元(IMU),用于计算定位,姿态和速度。工人只有执行器,可以帮助CVP沿着一条路线行驶。每个协调员都知道并可以与所有连接的工作人员进行无线通信。结构包含多个CVP,各个CVP可以互锁以形成更大的实体。


在变形期间,结构中所有连接的CVP都会比较其初始形状和新形状之间的几何差异。然后,每个CVP确定是否停留在同一地点以及是否需要移动。然后,为每个移动的CVP分配时间进行拆卸,并为其分配新形状的新位置。


每个CVP使用自定义的轨迹规划技术来计算到达目标位置而不会中断的方式,同时优化速度路线。为此,每个CVP会在移动的CVP旋转并远离静止的CVP时,预先计算出移动CVP周围的所有无碰撞区域。


在对这些无碰撞区域进行了预先计算之后,CVP然后找到到达其最终目的地的最短轨迹,这仍然使它无法撞击固定单元。值得注意的是,使用优化技术可以使整个轨迹规划过程非常高效,而预计算只需要不到100毫秒的时间就能找到并完善安全路径。然后,协调员使用来自GPS和IMU的数据,估算其在质心的姿态和速度,并无线控制每个单元的所有螺旋桨并移至目标位置。


在他们的实验中,研究人员在几种不同的变形场景中测试了由一名协调员和两名工人组成的三单元CVP。每个场景都涉及一个CVP,该CVP从初始形状解锁,然后移动并重新锁定到第二CVP周围的目标点。


例如,三个CVP将自己从连接的直线重新排列(它们在侧面被锁在一起),变成在前后连接的直线以及一个“ L”。在计算机模拟中,多达12个轮船单位将自己从矩形重新排列成正方形,或者从实心正方形重新排列成Z形。


扩大


实验是在四分之一大小的轮船上进行的,该船长约1米,宽约半米。但是研究人员认为,他们的弹道计划算法可以很好地控制全尺寸单位,该单位长约4米,宽约2米。


在大约一年的时间内,研究人员计划使用这些游艇在横跨阿姆斯特丹市中心的NEMO科学博物馆与正在开发的区域之间的60米运河上形成一条动态的“桥梁”。名为RoundAround的项目将使用轮船在运河中连续航行,在码头上接送乘客,并在发现任何东西时停下来或改行。目前,在那条水道上走动大约需要10分钟,但是桥梁可以将时间缩短到大约2分钟。


拉蒂说:“这将是世界上第一座由自动驾驶船队组成的桥梁。” “常规的桥梁会非常昂贵,因为您要穿过的船,因此您需要有一个可以打开的机械桥或很高的桥梁。但是我们可以(通过使用)自动船来连接运河的两侧。变成漂浮在水面上的动态,响应式建筑。”


为了实现该目标,研究人员正在进一步开发该游艇,以确保它们可以安全地容纳人员,并在所有天气条件下(例如大雨)都具有坚固性。他们还确保了轮船可以有效地连接到运河的侧面,而运河的侧面在结构和设计上可能会有很大差异。


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