ROBOATS: barcos autónomos de cambio de forma del MIT

La flota de botes robóticos del MIT se ha actualizado con nuevas capacidades para "cambiar de forma", desconectando y ensamblando de forma autónoma en diferentes configuraciones para formar varias plataformas flotantes en los canales de Amsterdam. En experimentos en una piscina, los botes se reorganizaron desde una línea recta conectada a una "L" (mostrada aquí) y otras formas. Crédito de imagen: MIT

Las nuevas capacidades permiten que los "roboats" cambien las configuraciones para formar puentes emergentes, escenarios y otras estructuras.

La flota de botes robóticos del MIT se ha actualizado con nuevas capacidades para "cambiar de forma", desconectando y volviendo a montar de forma autónoma en una variedad de configuraciones, para formar estructuras flotantes en los numerosos canales de Amsterdam.

Los barcos autónomos (cascos rectangulares equipados con sensores, propulsores, microcontroladores, módulos GPS, cámaras y otro hardware) se están desarrollando como parte del proyecto en curso "Roboat" entre el MIT y el Instituto de Ámsterdam para Soluciones Metropolitanas Avanzadas (Instituto AMS). El proyecto está dirigido por los profesores del MIT Carlo Ratti, Daniela Rus, Dennis Frenchman y Andrew Whittle. En el futuro, Ámsterdam quiere que los roboats naveguen por sus 165 canales sinuosos, transporten bienes y personas, recojan basura o se autoensamblen en plataformas emergentes, como puentes y escenarios, para ayudar a aliviar la congestión en las concurridas calles de la ciudad. .

En 2016, los investigadores del MIT probaron un prototipo de bote que podría moverse hacia adelante, hacia atrás y lateralmente a lo largo de un camino preprogramado en los canales. El año pasado, los investigadores diseñaron versiones de bajo costo, impresas en 3-D, a escala de un cuarto de las embarcaciones, que eran más eficientes y ágiles, y venían equipadas con algoritmos avanzados de seguimiento de trayectoria. En junio, crearon un mecanismo de enganche autónomo que permitía a los barcos apuntar y aferrarse entre sí, y seguir intentándolo si fallaban.

En un nuevo documento presentado en el Simposio Internacional IEEE de la semana pasada sobre Sistemas Multi-Robot y Multi-Agente, los investigadores describen un algoritmo que permite que los barcos se remodelen suavemente de la manera más eficiente posible. El algoritmo maneja toda la planificación y el seguimiento que permite a los grupos de unidades de bote de remos desengancharse uno del otro en una configuración de conjunto, recorrer un camino libre de colisión y volver a conectarlo a su lugar apropiado en la nueva configuración de conjunto.

En demostraciones en un grupo de MIT y en simulaciones por computadora, grupos de unidades de lanchas conectadas se reorganizaron a partir de líneas rectas o cuadrados en otras configuraciones, como rectángulos y formas en "L". Las transformaciones experimentales solo tomaron unos minutos. Los cambios de forma más complejos pueden llevar más tiempo, dependiendo del número de unidades móviles, que podrían ser docenas, y las diferencias entre las dos formas.

"Hemos permitido que los roboats establezcan y rompan conexiones con otros roboats, con la esperanza de trasladar las actividades en las calles de Amsterdam al agua", dice Rus, director del Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial (CSAIL) y Andrew y Erna Viterbi, profesora de Ingeniería Eléctrica e Informática. “Un conjunto de embarcaciones puede unirse para formar formas lineales como puentes emergentes, si necesitamos enviar materiales o personas de un lado de un canal al otro. O bien, podemos crear plataformas emergentes más amplias para los mercados de flores o alimentos ".

Junto a Rus en el papel están: Ratti, director del Senseable City Lab del MIT y, también del laboratorio, el primer autor Banti Gheneti, Ryan Kelly y Drew Meyers, todos investigadores; postdoc Shinkyu Park; e investigador compañero Pietro Leoni.

Trayectorias sin colisiones
Para su trabajo, los investigadores tuvieron que enfrentar los desafíos con grupos autónomos de planificación, seguimiento y conexión de unidades de barcos. Dar a cada unidad capacidades únicas para, por ejemplo, ubicarse entre sí, acordar cómo separarse y reformarse, y luego moverse libremente, requeriría complejas técnicas de comunicación y control que podrían hacer que el movimiento sea ineficiente y lento.

Para permitir operaciones más fluidas, los investigadores desarrollaron dos tipos de unidades: coordinadores y trabajadores. Uno o más trabajadores se conectan a un coordinador para formar una sola entidad, llamada "plataforma de buque conectado" (CVP). Todas las unidades de coordinador y trabajador tienen cuatro hélices, un microcontrolador inalámbrico y varios mecanismos automáticos de enclavamiento y sistemas de detección que les permiten conectarse entre sí.

Sin embargo, los coordinadores también vienen equipados con GPS para navegación y una unidad de medición inercial (IMU), que calcula la localización, la postura y la velocidad. Los trabajadores solo tienen actuadores que ayudan al CVP a seguir un camino. Cada coordinador conoce y puede comunicarse de forma inalámbrica con todos los trabajadores conectados. Las estructuras comprenden múltiples CVP, y los CVP individuales pueden unirse entre sí para formar una entidad más grande.

Durante el cambio de forma, todos los CVP conectados en una estructura comparan las diferencias geométricas entre su forma inicial y la nueva forma. Luego, cada CVP determina si permanece en el mismo lugar y si necesita moverse. A cada CVP en movimiento se le asigna un tiempo para desmontar y una nueva posición en la nueva forma.

Cada CVP utiliza una técnica de planificación de trayectoria personalizada para calcular una forma de alcanzar su posición objetivo sin interrupción, mientras optimiza la ruta para la velocidad. Para hacerlo, cada CVP calcula previamente todas las regiones libres de colisión alrededor del CVP en movimiento a medida que gira y se aleja de una estacionaria.
Después de precalcular esas regiones libres de colisión, el CVP encuentra la trayectoria más corta hasta su destino final, lo que aún evita que golpee la unidad estacionaria. En particular, las técnicas de optimización se utilizan para hacer que todo el proceso de planificación de trayectoria sea muy eficiente, y la precomputación demora poco más de 100 milisegundos para encontrar y refinar rutas seguras. Usando datos del GPS y la IMU, el coordinador estima su pose y velocidad en su centro de masa, y controla de forma inalámbrica todas las hélices de cada unidad y se mueve a la ubicación objetivo.

En sus experimentos, los investigadores probaron CVP de tres unidades, que constan de un coordinador y dos trabajadores, en diferentes escenarios de cambio de forma. Cada escenario involucraba un CVP que se desenclavaba de la forma inicial y se movía y volvía a conectar a un punto objetivo alrededor de un segundo CVP.

Tres CVP, por ejemplo, se reorganizaron desde una línea recta conectada, donde estaban enganchados a sus lados, en una línea recta conectada en la parte delantera y trasera, así como una "L". En simulaciones por computadora, hasta 12 unidades de bote se reorganizaron desde, por ejemplo, un rectángulo en un cuadrado o desde un cuadrado sólido en forma de Z.

Ampliar
Los experimentos se realizaron en unidades de bote de un cuarto de tamaño, que miden aproximadamente 1 metro de largo y medio metro de ancho. Pero los investigadores creen que su algoritmo de planificación de trayectoria escalará bien en el control de unidades de tamaño completo, que medirán unos 4 metros de largo y 2 metros de ancho.
En aproximadamente un año, los investigadores planean usar los botes para formar un "puente" dinámico a través de un canal de 60 metros entre el Museo de Ciencias NEMO en el centro de la ciudad de Ámsterdam y un área que está en desarrollo. El proyecto, llamado RoundAround, empleará roboats para navegar en un círculo continuo a través del canal, recogiendo y dejando pasajeros en los muelles y deteniéndose o desviando rutas cuando detectan algo en el camino. Actualmente, caminar por esa vía fluvial toma aproximadamente 10 minutos, pero el puente puede reducir ese tiempo a unos dos minutos.

"Este será el primer puente del mundo compuesto por una flota de barcos autónomos", dice Ratti. “Un puente normal sería súper costoso, porque hay barcos que pasan, por lo que necesitaría un puente mecánico que se abra o un puente muy alto. Pero podemos conectar dos lados del canal [mediante el uso de] barcos autónomos que se convierten en una arquitectura dinámica y receptiva que flota en el agua ”.

Para alcanzar ese objetivo, los investigadores están desarrollando aún más los botes para garantizar que puedan retener a las personas de manera segura y que sean robustos para todas las condiciones climáticas, como fuertes lluvias. También se aseguran de que los roboats se puedan conectar efectivamente a los lados de los canales, que pueden variar mucho en estructura y diseño.