El futuro del transporte en ciudades ricas en vías fluviales como Amsterdam, Bangkok y Venecia, donde los canales corren a lo largo y bajo calles y puentes bulliciosos, puede incluir embarcaciones autónomas que transportan mercancías y personas, lo que ayuda a despejar la congestión vial.
Investigadores del Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial del MIT CSAIL y el Laboratorio de la Ciudad Senseable en el Departamento de Estudios y Planificación Urbana DUSP, han dado un paso hacia ese futuro al diseñar una flota de barcos autónomos que ofrecen alta maniobrabilidad ycontrol preciso. Las embarcaciones también pueden imprimirse rápidamente en 3D con una impresora de bajo costo, lo que hace que la fabricación en serie sea más factible
Los botes podrían usarse para llevar a las personas en taxi y entregar mercancías, aliviando el tráfico de la calle. En el futuro, los investigadores también prevén que los botes sin conductor se adapten para realizar servicios en la ciudad durante la noche, en lugar de durante las horas ocupadas del día, reduciendo aún más la congestióntanto carreteras como canales.
"Imagine cambiar algunos de los servicios de infraestructura que generalmente tienen lugar durante el día en el camino - entregas, manejo de basura, manejo de desechos - a media noche, en el agua, usando una flota de barcos autónomos", diceLa directora de CSAIL, Daniela Rus, coautora de un artículo que describe la tecnología que se presentará en la Conferencia Internacional IEEE sobre Robótica y Automatización de esta semana.
Además, los barcos, cascos rectangulares de 4 por 2 metros equipados con sensores, microcontroladores, módulos GPS y otro hardware, podrían programarse para autoensamblarse en puentes flotantes, escenarios de conciertos, plataformas para mercados de alimentos,y otras estructuras en cuestión de horas. "Una vez más, algunas de las actividades que generalmente se llevan a cabo en tierra, y que causan alteraciones en la forma en que se mueve la ciudad, se pueden hacer de forma temporal en el agua", dice Rus, quienes el profesor de ingeniería eléctrica e informática de Andrew y Erna Viterbi.
Las embarcaciones también podrían estar equipadas con sensores ambientales para monitorear las aguas de una ciudad y obtener información sobre la salud urbana y humana.
Los coautores del artículo son: el primer autor Wei Wang, un postdoc conjunto en CSAIL y Senseable City Lab; Luis A. Mateos y Shinkyu Park, ambos postdocs DUSP; Pietro Leoni, un investigador, y Fábio Duarte, uncientífico investigador, tanto en DUSP como en Senseable City Lab; Banti Gheneti, un estudiante graduado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación; y Carlo Ratti, investigador principal y profesor de la práctica en el DUSP y director de la Ciudad Senseable del MITLaboratorio.
Mejor diseño y control
El trabajo se realizó como parte del proyecto "Roboat", una colaboración entre el MIT Senseable City Lab y el Instituto de Ámsterdam para Soluciones Metropolitanas Avanzadas AMS. En 2016, como parte del proyecto, los investigadores probaron un prototipo quenavegó alrededor de los canales de la ciudad, avanzando, retrocediendo y lateralmente a lo largo de un camino preprogramado.
El documento de ICRA detalla varias innovaciones nuevas importantes: una técnica de fabricación rápida, un diseño más eficiente y ágil, y algoritmos avanzados de seguimiento de trayectoria que mejoran el control, el anclaje y el enganche de precisión, y otras tareas.
Para hacer los botes, los investigadores imprimieron en 3D un casco rectangular con una impresora comercial, produciendo 16 secciones separadas que se unieron. La impresión tomó alrededor de 60 horas. El casco completo se selló adhiriendo varias capas de fibra de vidrio.
Integrado en el casco hay una fuente de alimentación, antena Wi-Fi, GPS y una minicomputadora y microcontrolador. Para un posicionamiento preciso, los investigadores incorporaron un sistema de baliza de ultrasonido interior y módulos GPS cinemáticos en tiempo real al aire libre, que permiten centímetro-nivel de localización, así como un módulo de unidad de medición de inercia IMU que monitorea el guiñada y la velocidad angular del barco, entre otras métricas.
El barco tiene una forma rectangular, en lugar de las formas tradicionales de kayak o catamarán, para permitir que el barco se mueva lateralmente y se adhiera a otros barcos al ensamblar otras estructuras. Otro elemento de diseño simple pero efectivo fue la colocación del propulsor.colocado en el centro de cada lado, en lugar de en las cuatro esquinas, generando fuerzas hacia adelante y hacia atrás. Esto hace que el bote sea más ágil y eficiente, dicen los investigadores.
El equipo también desarrolló un método que le permite al barco rastrear su posición y orientación de manera más rápida y precisa. Para ello, desarrollaron una versión eficiente de un algoritmo de control predictivo de modelo no lineal NMPC, generalmente utilizado para controlar y navegar robotsdentro de varias restricciones.
El NMPC y algoritmos similares se han usado antes para controlar embarcaciones autónomas. Pero, por lo general, esos algoritmos se prueban solo en simulación o no tienen en cuenta la dinámica del bote. Los investigadores incorporaron en el algoritmo modelos matemáticos no lineales simplificados que cuentanpara algunos parámetros conocidos, como arrastre del bote, fuerzas centrífugas y de Coriolis, y masa añadida debido a la aceleración o desaceleración en el agua. Los investigadores también utilizaron un algoritmo de identificación que luego identifica cualquier parámetro desconocido a medida que el bote se entrena en un camino.
Finalmente, los investigadores utilizaron una plataforma eficiente de control predictivo para ejecutar su algoritmo, que puede determinar rápidamente las próximas acciones y aumenta la velocidad del algoritmo en dos órdenes de magnitud sobre sistemas similares. Mientras que otros algoritmos se ejecutan en aproximadamente 100 milisegundos, los investigadoresel algoritmo toma menos de 1 milisegundo
Prueba de las aguas
Para demostrar la eficacia del algoritmo de control, los investigadores desplegaron un prototipo más pequeño de la embarcación a lo largo de caminos previamente planificados en una piscina y en el río Charles. En el transcurso de 10 pruebas, los investigadores observaron errores de seguimiento promedio, en posicionamiento yorientación: más pequeños que los errores de seguimiento de los algoritmos de control tradicionales.
Esa precisión se debe, en parte, a los módulos GPS e IMU a bordo de la embarcación, que determinan la posición y la dirección, respectivamente, hasta el centímetro. El algoritmo NMPC analiza los datos de esos módulos y pesa varias métricas para que la embarcación sea verdaderaEl algoritmo se implementa en una computadora controladora y regula cada hélice individualmente, actualizándose cada 0.2 segundos.
"El controlador considera la dinámica del bote, el estado actual del bote, las restricciones de empuje y la posición de referencia durante los próximos segundos, para optimizar la forma en que el bote avanza en el camino", dice Wang. "Entonces podemos encontrar la fuerza óptima paralos propulsores que pueden llevar el bote de regreso al camino y minimizar los errores "
Las innovaciones en diseño y fabricación, así como algoritmos de control más rápidos y precisos, apuntan hacia embarcaciones viables sin conductor utilizadas para el transporte, el atraque y el autoensamblaje en plataformas, dicen los investigadores.
Un siguiente paso para el trabajo es desarrollar controladores adaptativos para tener en cuenta los cambios en la masa y la resistencia del bote al transportar personas y mercancías. Los investigadores también están refinando el controlador para tener en cuenta las perturbaciones de las olas y las corrientes más fuertes.
"De hecho, descubrimos que el río Charles tiene mucha más corriente que en los canales de Ámsterdam", dice Wang. "Pero habrá muchos barcos moviéndose, y los barcos grandes traerán grandes corrientes, por lo que todavía tenemos queconsidera esto."
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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