ROBÔS: Os barcos autônomos de mudança de forma do MIT

A frota de barcos robóticos do MIT foi atualizada com novos recursos para “mudar de forma”, desconectando e remontando autonomamente em diferentes configurações para formar várias plataformas flutuantes nos canais de Amsterdã. Em experimentos em uma piscina, os barcos se rearranjaram de uma linha reta conectada para um "L" (mostrado aqui) e outras formas. Crédito de imagem: MIT

Novos recursos permitem que os "roboats" alterem as configurações para formar pontes pop-up, estágios e outras estruturas.

A frota de barcos robóticos do MIT foi atualizada com novos recursos para "mudar de forma", desconectando e remontando autonomamente em uma variedade de configurações, para formar estruturas flutuantes nos diversos canais de Amsterdã.

Os barcos autônomos - cascos retangulares equipados com sensores, propulsores, microcontroladores, módulos GPS, câmeras e outro hardware - estão sendo desenvolvidos como parte do projeto "Roboat" em andamento entre o MIT e o Instituto de Soluções Metropolitanas Avançadas de Amsterdã (Instituto AMS). O projeto é liderado pelos professores do MIT, Carlo Ratti, Daniela Rus, Dennis Frenchman e Andrew Whittle. No futuro, Amsterdã quer que os roboats cruzem seus 165 canais sinuosos, transportando mercadorias e pessoas, coletando lixo ou se auto-montando em plataformas pop-up - como pontes e palcos - para ajudar a aliviar o congestionamento nas ruas movimentadas da cidade .

Em 2016, os pesquisadores do MIT testaram um protótipo roboat que poderia avançar, retroceder e lateralmente ao longo de um caminho pré-programado nos canais. No ano passado, os pesquisadores criaram versões de baixo custo, impressas em 3D, em escala de um quarto dos barcos, que eram mais eficientes e ágeis, e foram equipadas com algoritmos avançados de rastreamento de trajetória. Em junho, eles criaram um mecanismo autônomo de travamento que permite que os barcos se alvejem e se abraçem e continuem tentando se falharem.

Em um novo artigo apresentado no Simpósio Internacional IEEE da semana passada sobre sistemas multi-robô e multi-agente, os pesquisadores descrevem um algoritmo que permite que os roboats se remodelem da maneira mais eficiente possível. O algoritmo lida com todo o planejamento e rastreamento que permite que grupos de unidades de roboat sejam desbloqueados um do outro em uma configuração de conjunto, percorrem um caminho livre de colisão e reconectam ao local apropriado na nova configuração de conjunto.

Em demonstrações em um pool do MIT e em simulações por computador, grupos de unidades de roboat vinculadas se rearranjaram de linhas retas ou quadrados para outras configurações, como retângulos e formas em “L”. As transformações experimentais levaram apenas alguns minutos. Mudanças de forma mais complexas podem levar mais tempo, dependendo do número de unidades móveis - que podem ser dezenas - e das diferenças entre as duas formas.

"Permitimos que os roboats agora façam e quebrem conexões com outros roboats, com a esperança de mover as atividades nas ruas de Amsterdã para a água", diz Rus, diretor do Laboratório de Ciência da Computação e Inteligência Artificial (CSAIL) e Andrew e Erna Viterbi Professora de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação. “Um conjunto de barcos pode se unir para formar formas lineares como pontes pop-up, se precisarmos enviar materiais ou pessoas de um lado ao outro do canal. Ou podemos criar plataformas pop-up mais amplas para os mercados de flores ou alimentos. ”

Juntando-se a Rus, estão: Ratti, diretor do Senseable City Lab do MIT e, também do laboratório, o primeiro autor Banti Gheneti, Ryan Kelly e Drew Meyers, todos os pesquisadores; Parque Shinkyu pós-doc; e pesquisador Pietro Leoni.

Trajetórias sem colisões
Por seu trabalho, os pesquisadores tiveram que enfrentar desafios com planejamento autônomo, rastreamento e conexão de grupos de unidades roboat. Dar a cada unidade capacidades únicas para, por exemplo, se localizar, concordar em como se separar e reformar e depois se movimentar livremente, exigiria técnicas complexas de comunicação e controle que tornariam o movimento ineficiente e lento.

Para possibilitar operações mais suaves, os pesquisadores desenvolveram dois tipos de unidades: coordenadores e trabalhadores. Um ou mais trabalhadores se conectam a um coordenador para formar uma única entidade, chamada de “plataforma de embarcação conectada” (CVP). Todas as unidades de coordenador e trabalhador têm quatro hélices, um microcontrolador habilitado para conexão sem fio e vários mecanismos de travamento automatizados e sistemas de detecção que permitem a conexão entre eles.

Os coordenadores, no entanto, também vêm equipados com GPS para navegação e uma unidade de medida inercial (IMU), que calcula localização, pose e velocidade. Os trabalhadores têm apenas atuadores que ajudam o CVP a seguir um caminho. Cada coordenador está ciente e pode se comunicar sem fio com todos os trabalhadores conectados. As estruturas compreendem vários CVPs, e CVPs individuais podem se trancar uns aos outros para formar uma entidade maior.

Durante a mudança de forma, todos os CVPs conectados em uma estrutura comparam as diferenças geométricas entre sua forma inicial e a nova. Então, cada CVP determina se ele permanece no mesmo local e se precisa se mover. Cada CVP em movimento recebe um tempo para desmontar e uma nova posição na nova forma.

Cada CVP usa uma técnica personalizada de planejamento de trajetória para calcular uma maneira de atingir sua posição de destino sem interrupção, enquanto otimiza a rota para obter velocidade. Para fazer isso, cada CVP pré-computa todas as regiões livres de colisão ao redor do CVP em movimento à medida que ele gira e se afasta de uma estacionária.
Depois de pré-computar essas regiões livres de colisão, o CVP encontra a menor trajetória até seu destino final, o que ainda o impede de atingir a unidade estacionária. Notavelmente, técnicas de otimização são usadas para tornar todo o processo de planejamento de trajetória muito eficiente, com a pré-computação demorando pouco mais de 100 milissegundos para encontrar e refinar caminhos seguros. Usando os dados do GPS e da IMU, o coordenador calcula sua pose e velocidade no centro de massa e controla sem fio todas as hélices de cada unidade e move-se para o local de destino.

Em seus experimentos, os pesquisadores testaram CVPs de três unidades, consistindo de um coordenador e dois trabalhadores, em vários cenários diferentes de mudança de forma. Cada cenário envolvia um CVP destravando da forma inicial e movendo-se e liberando-se para um local alvo em torno de um segundo CVP.

Três CVPs, por exemplo, se rearranjaram de uma linha reta conectada - onde estavam trancados nas laterais - em uma linha reta conectada na frente e atrás, bem como um "L." Em simulações em computador, até 12 unidades roboat se rearranjaram de, digamos, um retângulo em um quadrado ou de um quadrado sólido em uma forma de Z.

Ampliando
Experimentos foram realizados em unidades roboat de um quarto de tamanho, que medem cerca de 1 metro de comprimento e meio metro de largura. Mas os pesquisadores acreditam que seu algoritmo de planejamento de trajetória será bem dimensionado no controle de unidades de tamanho normal, que medem cerca de 4 metros de comprimento e 2 metros de largura.
Em cerca de um ano, os pesquisadores planejam usar os roboats para formar uma "ponte" dinâmica através de um canal de 60 metros entre o NEMO Science Museum no centro da cidade de Amsterdã e uma área em desenvolvimento. O projeto, chamado RoundAround, empregará roboats para navegar em um círculo contínuo através do canal, pegando e deixando passageiros nas docas e parando ou redirecionando quando detectar algo no caminho. Atualmente, caminhar pela hidrovia leva cerca de 10 minutos, mas a ponte pode reduzir esse tempo para cerca de dois minutos.

"Esta será a primeira ponte do mundo composta por uma frota de barcos autônomos", diz Ratti. “Uma ponte comum seria muito cara, porque você tem barcos passando, então você precisa ter uma ponte mecânica que se abra ou uma ponte muito alta. Mas podemos conectar dois lados do canal [usando] barcos autônomos que se tornam uma arquitetura dinâmica e responsiva que flutua na água. ”

Para atingir esse objetivo, os pesquisadores estão desenvolvendo ainda mais os roboats para garantir que possam segurar pessoas com segurança e que sejam robustos a todas as condições climáticas, como chuvas fortes. Eles também garantem que os roboats possam se conectar efetivamente aos lados dos canais, o que pode variar muito em estrutura e design.