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「ROBOAT」是 MIT 和荷兰先进都市解决方案协会(AMS)协作的研讨项目,内容是在阿姆斯特丹探究规划和试验世界上榜首批主动驾驶船只。2016 年,研讨者测验了 ROBOAT 原型。近期,研讨者又开发了新功用:这些机器船能够主动衔接,拼装成暂时水面基础设备,如桥梁、舞台和菜场等。相关研讨已宣布在 ICRA 2019 大会。

论文链接:http://www.particlerobots.com/luismateos/publications/LuisAMateos_ICRA2019_Autonomous_latching_system_for_robotic_boats.pdf

阿姆斯特丹运河是这座城市的重要标志,运河游船也是探究这座城市的最佳方法之一。现在,阿姆斯特丹设想了这样一种未来场景:运河河道上漂浮着许多主动船只,它们能够运载货品和人、搜集废物,或许自拼装成桥梁。为此,MIT 研讨者给他们正在进行的机器船项目赋予了新才能:以彼此为方针并衔接在一起,假如失利了则持续测验直到成功。

MIT 研讨者开发了一种新式锁闭体系(latching system),机器船能够战胜水流搅扰,高效安全地拼装在一起。

被誉为「北方威尼斯」的阿姆斯特丹具有 165 条运河道,它们环绕着繁忙的城市大街。几年前,MIT 和荷兰先进都市解决方案协会(AMS)开端协作「Roboat」项目,旨在构建主动机器船以供给水上智能交通,然后缓解城市大街的交通拥堵。这些机器船的船体是矩形的,装备有传感器、推进器、微处理器、GPS 模块、摄像头号硬件。

如图所示,该机器船船体为矩形(长宽比为 2:1,整个船体途径的维度为 1000mm×500mm× 150mm),每条边的中心别离有一个推进器(f1、f2、f3、f4)。船顶部是担任感知和定位的 VLP-16 激光雷达(见图 1)。该机器船还装备有 Intel Realsense 摄像头,用于检测符号,以及惯性丈量单元设备(IMU),用于丈量倾斜角和速率。

Roboat 项目的方针之一便是供给新的水上交通解决方案。另一个方针是用机器船主动组成桥梁、扮演舞台乃至菜场等暂时场所。这些由机器船组成的场所能够在固定时刻后主动「闭幕」,再为某些详细活动而主动组合。此外,机器船还能够用作探测器,搜集阿姆的基础设备、空气和水质等数据,为城市和市民健康供给重要信息。

2016 年,MIT 研讨者测验了 roboat 原型,它能够在阿姆斯特丹的运河道里游弋,能够沿着预编程的途径前后移动。上一年,研讨者规划了低本钱的 3D 打印机器船,巨细仅为之前版别的 1/4,愈加高效和灵敏,它还装备了先进的轨道追寻算法。

最近,该研讨的相关论文宣布在了 ICRA 大会上,研讨者介绍了现在这些机器船能够辨认「停靠点」(docking station)并与之衔接。操控算法指引机器船向方针跋涉,它们能够主动衔接至定制化锁闭设备(latching mechanism),且精度可达毫米级。此外,当机器船注意到自己没有与停靠点成功衔接时,会从头开端测验。

机器船衔接时所用的算法,精度可达毫米级。

研讨者在 MIT 的游泳池和水流略微汹涌一些的查尔斯河里对这一锁闭技能进行了测验。在两个场景中,机器船一般能够在大约 10 秒内成功衔接(从约 1 米外的方位开端测验),或许会在几回失利后取得成功。

室内游泳池试验图示。

室外查尔斯河试验图示。

在阿姆,该体系对夜晚废物搜集尤为有用。机器船能够在运河道中处处游走,定位并衔接至有废物桶的途径,然后把它们拖回废物搜集设备。

论文一作 Luis Mateos 标明:「阿姆曾经首要的交通途径是运河,现在则是路途。运河道邻近的路途十分拥堵,还有许多噪声和污染,因而阿姆斯特丹企图将更多功用从头赋予运河。而主动驾驶技能能够节省时刻、本钱和动力,以及推进这座城市向前。」Luis Mateos 结业于 MIT 城市研讨与规划系,现在是 MIT Senseable City Lab 的研讨员。

「该项目旨在经过机器船赋能水上日子,」论文合著者、MIT CSAIL 担任人 Daniela Rus 标明,「新的锁闭机制关于创立暂时水上设备至关重要。机器船的水上主动交通是不需求锁闭机制的,可是创立暂时水上设备需求,不管是移动设备仍是固定设备。」

怎么衔接

每一条机器船装备有多个锁闭设备散布在船体前后及旁边面,这些设备包含球(ball)和槽(socket)组件。球组件类似于羽毛球,形状为圆锥体,橡胶材料制成,顶端有一个金属球。槽组件是一个宽漏斗,能够指引球组件进入接纳器(receptor)。在漏斗中,激光束作为安全体系,担任检测球进入接纳器的时刻。这就激发了一种机制:槽的三个臂包围并捕捉到球,一起将标明船只衔接已完结的反应信号发送给两艘机器船。

机器船锁闭设备中球组件和槽组件图示。

在软件方面,支撑机器船运转的是自定义核算机视觉和操控技能。每条机器船都有一个激光雷达体系和摄像头,因而它们能够完成在运河道中点到点的主动移动。每一个停靠点(一般是不动的机器船)都有一些印有 AR 符号的纸,这些符号叫做 AprilTag,类似于简化版的二维码。AprilTag 常用于机器使用,它能够使机器人检测并核算符号的准确 3D 方位和方向。

AprilTag 和摄像头都安装在机器船中心的相同方位。当一条正在移动的机器船离停止 AprilTag 一两米远时,机器船会核算 AprilTag 的方位和方向。一般,这会生成船移动的 3D 地图,包含原地打转、上下波动和左右摇摆,不过算法不考虑「左右摇摆」,将 3D 空间简化为易于核算的 2D 平面,它能够衡量机器船摄像头与符号的间隔和方向。根据这一信息,机器船能够朝着符号行进。然后经过使摄像头和符号完美对齐,来完成机器船的准确衔接,如下图所示:

锁闭体系假定机器船和「停靠点」是在类似水平线上的,而漏斗能够补偿机器船上下波动和崎岖形成的不对齐。

但是,假如机器船超出了可核算间隔,则它无法接纳到来自激光束的反应信号,然后知道自己失利了。Mateos 标明:「在水况杂乱的区域,现在巨细的机器船无法战胜强风或剧烈的水流。然后机器船的逻辑组件就会说『你错过了方针,回来,从头核算方位,再次测验。』」(见算法 1)

未来开展

现在,研讨者正在规划当时版别四倍巨细的机器船,这样它们在水上愈加安稳。Mateos 还在更新漏斗,使它具有像触手相同的橡胶抓具,然后能够握紧金属球,就像章鱼捉住猎物相同。这将协助机器船在拖着途径或其他机器船穿过狭隘的河道时能够愈加安稳、更有操控力。

该研讨还包含一个体系,它在 LCD 显示器上展现了 AprilTag 怎么改动代码让多个机器船获取信号,然后以给定次序自己拼装起来。首要,一切机器船都得到一个代码:待在一米远的当地。然后,代码变更为「向要衔接的榜首只机器船行进」。之后,代码变更为「向要衔接的下一只机器船行进」,依此类推。「这就像传声筒游戏。改动的代码将信息一次传向一条机器船,信息会告知船应该怎么做。」Mateos 标明。

意大利技能研讨院先进机器人部分研讨担任人 Darwin Caldwell 设想了主动锁闭才能的更多或许使用。「我能够幻想到这种技能使用于机器『加油」和停靠等多个范畴,而不只是船只体系。空中加油、空间对接、货品集装箱处理和家庭机器人充电等等。」

参阅链接:https://news.mit.edu/2019/autonomous-robot-boats-latch-0605

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