ROBOATS: Formwandelnde autonome MIT-Boote

Die Flotte von Roboterbooten des MIT wurde mit neuen Funktionen zur „Formänderung“ aktualisiert, indem sie autonom voneinander getrennt und in verschiedene Konfigurationen zusammengebaut werden, um verschiedene schwimmende Plattformen in den Kanälen von Amsterdam zu bilden. Bei Experimenten in einem Becken haben sich die Boote von einer verbundenen Geraden in ein „L“ (hier gezeigt) und andere Formen umgeordnet. Bildnachweis: MIT

Neue Funktionen ermöglichen es Roboats, Konfigurationen zu ändern, um Popup-Brücken, Bühnen und andere Strukturen zu bilden.

Die Flotte von Roboterbooten des MIT wurde mit neuen Funktionen zur „Formänderung“ aktualisiert, indem sie autonom voneinander getrennt und in verschiedene Konfigurationen zusammengebaut werden, um schwimmende Strukturen in den vielen Amsterdamer Kanälen zu bilden.

Die autonomen Boote - rechteckige Rümpfe, die mit Sensoren, Triebwerken, Mikrocontrollern, GPS-Modulen, Kameras und anderer Hardware ausgestattet sind - werden im Rahmen des laufenden „Roboat“ -Projekts zwischen dem MIT und dem Amsterdam Institute for Advanced Metropolitan Solutions (AMS Institute) entwickelt. Das Projekt wird von den MIT-Professoren Carlo Ratti, Daniela Rus, Dennis Frenchman und Andrew Whittle geleitet. Amsterdam möchte, dass die Roboats künftig auf seinen 165 gewundenen Kanälen fahren, Güter und Menschen transportieren, Müll sammeln oder sich in „Pop-up“ -Plattformen wie Brücken und Bühnen zusammensetzen, um Staus auf den belebten Straßen der Stadt zu lindern .

Im Jahr 2016 testeten MIT-Forscher einen Roboat-Prototyp, der sich vorwärts, rückwärts und seitlich entlang eines vorprogrammierten Pfades in den Kanälen bewegen konnte. Im vergangenen Jahr entwarfen die Forscher kostengünstige, dreidimensional gedruckte Versionen der Boote im Viertelsmaßstab, die effizienter und agiler waren und mit fortschrittlichen Trajektorienverfolgungsalgorithmen ausgestattet wurden. Im Juni schufen sie einen autonomen Verriegelungsmechanismus, der es den Booten ermöglichte, aufeinander zu zielen und sich aneinander zu klammern und weiter zu versuchen, wenn sie versagen.

In einem neuen Artikel, der auf dem IEEE International Symposium über Multi-Robot- und Multi-Agent-Systeme in der vergangenen Woche vorgestellt wurde, beschreiben die Forscher einen Algorithmus, mit dem sich die Roboats reibungslos und so effizient wie möglich umformen können. Der Algorithmus übernimmt die gesamte Planung und Nachverfolgung, die es Gruppen von Roboat-Einheiten ermöglicht, sich in einer Set-Konfiguration voneinander zu lösen, einen kollisionsfreien Pfad zu beschreiten und an der neuen Set-Konfiguration wieder an der richtigen Stelle zu befestigen.

Bei Demonstrationen in einem MIT-Pool und in Computersimulationen haben sich Gruppen verknüpfter Roboat-Einheiten von geraden Linien oder Quadraten in andere Konfigurationen wie Rechtecke und L-Formen umgeordnet. Die experimentellen Transformationen dauerten nur wenige Minuten. Komplexere Formänderungen können länger dauern, abhängig von der Anzahl der sich bewegenden Einheiten - die Dutzende betragen können - und den Unterschieden zwischen den beiden Formen.

"Wir haben es den Roboats ermöglicht, Verbindungen mit anderen Roboats herzustellen und zu unterbrechen, mit der Hoffnung, Aktivitäten auf den Straßen von Amsterdam ans Wasser zu bringen", sagt Rus, Direktor des Labors für Informatik und künstliche Intelligenz (CSAIL) und Andrew und Erna Viterbi Professorin für Elektrotechnik und Informatik. „Eine Reihe von Booten kann zusammenkommen, um lineare Formen als Pop-up-Brücken zu bilden, wenn wir Materialien oder Menschen von einer Seite eines Kanals zur anderen schicken müssen. Oder wir können Pop-up-Plattformen für Blumen- oder Lebensmittelmärkte einrichten. “

Gemeinsam mit Rus arbeiten: Ratti, Direktor des Senseable City Lab am MIT, und Ryan Kelly, Erstautor Banti Gheneti und Drew Meyers, alle Forscher; Postdoc Shinkyu Park; und wissenschaftlicher Mitarbeiter Pietro Leoni.

Kollisionsfreie Flugbahnen
Für ihre Arbeit mussten die Forscher Herausforderungen mit autonomer Planung, Verfolgung und Verbindung von Gruppen von Roboat-Einheiten angehen. Wenn jede Einheit ihre eigenen Fähigkeiten besitzt, um sich beispielsweise zu lokalisieren, zu vereinbaren, wie sie sich trennen und reformieren und sich dann frei bewegen soll, sind komplexe Kommunikations- und Steuerungstechniken erforderlich, die Bewegungen ineffizient und langsam machen können.

Um reibungslosere Abläufe zu ermöglichen, entwickelten die Forscher zwei Arten von Einheiten: Koordinatoren und Arbeiter. Ein oder mehrere Mitarbeiter stellen eine Verbindung zu einem Koordinator her, um eine Einheit zu bilden, die als „Connected-Ship-Platform“ (CVP) bezeichnet wird. Alle Koordinator- und Arbeitseinheiten verfügen über vier Propeller, einen drahtlosen Mikrocontroller und mehrere automatische Verriegelungsmechanismen und Erfassungssysteme, mit denen sie miteinander verbunden werden können.

Die Koordinatoren sind jedoch auch mit GPS für die Navigation und einer Trägheitsmesseinheit (IMU) ausgestattet, die Ortung, Haltung und Geschwindigkeit berechnet. Arbeiter haben nur Aktuatoren, die dem CVP helfen, auf einem Pfad zu lenken. Jeder Koordinator kennt alle verbundenen Mitarbeiter und kann drahtlos mit ihnen kommunizieren. Strukturen umfassen mehrere CVPs, und einzelne CVPs können sich gegenseitig verbinden, um eine größere Einheit zu bilden.

Während der Formänderung vergleichen alle verbundenen CVPs in einer Struktur die geometrischen Unterschiede zwischen ihrer ursprünglichen Form und der neuen Form. Dann bestimmt jeder CVP, ob er an derselben Stelle bleibt und ob er sich bewegen muss. Jedem sich bewegenden CVP wird dann eine Zeit zum Zerlegen und eine neue Position in der neuen Form zugewiesen.

Jeder CVP verwendet eine benutzerdefinierte Trajektorienplanungstechnik, um einen Weg zu berechnen, um seine Zielposition ohne Unterbrechung zu erreichen, während die Route hinsichtlich der Geschwindigkeit optimiert wird. Zu diesem Zweck berechnet jeder CVP alle kollisionsfreien Bereiche um den sich bewegenden CVP vor, während er sich dreht und von einem stationären entfernt.
Nach der Vorausberechnung dieser kollisionsfreien Bereiche findet der CVP dann die kürzeste Flugbahn zu seinem endgültigen Ziel, wodurch er weiterhin daran gehindert wird, die stationäre Einheit zu treffen. Insbesondere werden Optimierungstechniken verwendet, um den gesamten Planungsprozess für die Flugbahn sehr effizient zu gestalten, wobei die Vorberechnung etwas mehr als 100 Millisekunden benötigt, um sichere Pfade zu finden und zu verfeinern. Anhand der Daten von GPS und IMU schätzt der Koordinator dann seine Position und Geschwindigkeit in seinem Massenschwerpunkt und steuert drahtlos alle Propeller jeder Einheit und bewegt sich zum Zielort.

In ihren Experimenten testeten die Forscher CVPs mit drei Einheiten, bestehend aus einem Koordinator und zwei Arbeitern, in mehreren verschiedenen Gestaltwandelszenarien. In jedem Szenario löste sich ein CVP von der ursprünglichen Form und bewegte sich zu einem Zielpunkt um einen zweiten CVP und rasterte ihn erneut.

Zum Beispiel haben sich drei CVPs von einer verbundenen geraden Linie - wo sie an ihren Seiten zusammengeklammert waren - in eine vorne und hinten verbundene gerade Linie sowie ein "L" umgeordnet. In Computersimulationen waren es bis zu 12 Roboat-Einheiten Sie haben sich beispielsweise von einem Rechteck zu einem Quadrat oder von einem festen Quadrat zu einer Z-ähnlichen Form umgeordnet.

Hochskalieren
Experimente wurden an viertelgroßen Roboat-Einheiten durchgeführt, die etwa 1 Meter lang und einen halben Meter breit waren. Die Forscher glauben jedoch, dass ihr Algorithmus für die Flugbahnplanung bei der Steuerung von Einheiten in Originalgröße, die etwa 4 Meter lang und 2 Meter breit sind, gut skaliert werden kann.
In etwa einem Jahr wollen die Forscher mit den Robos eine dynamische „Brücke“ über einen 60-Meter-Kanal zwischen dem NEMO-Wissenschaftsmuseum in der Amsterdamer Innenstadt und einem in Entwicklung befindlichen Gebiet bauen. Das Projekt, RoundAround genannt, wird Roboats einsetzen, um in einem durchgehenden Kreis über den Kanal zu segeln, Passagiere an den Docks aufzunehmen und dort abzusetzen und anzuhalten oder umzuleiten, wenn sie etwas im Wege entdecken. Derzeit dauert das Umrunden dieser Wasserstraße ungefähr 10 Minuten, aber die Brücke kann diese Zeit auf ungefähr zwei Minuten verkürzen.

„Dies wird die erste Brücke der Welt sein, die aus einer Flotte autonomer Boote besteht“, sagt Ratti. „Eine reguläre Brücke wäre sehr teuer, da Boote durchfahren. Sie müssten also eine mechanische Brücke haben, die geöffnet werden kann, oder eine sehr hohe Brücke. Wir können jedoch zwei Seiten des Kanals miteinander verbinden, indem wir autonome Boote verwenden, die zu einer dynamischen, reaktionsschnellen Architektur werden, die auf dem Wasser schwimmt. “

Um dieses Ziel zu erreichen, entwickeln die Forscher die Roboats weiter, um sicherzustellen, dass sie Menschen sicher halten können und widerstandsfähig gegen alle Wetterbedingungen, wie z. B. starken Regen, sind. Sie stellen auch sicher, dass die Roboats effektiv mit den Seiten der Kanäle verbunden werden können, die sich in Struktur und Design stark unterscheiden.