O futuro do transporte em cidades ricas em hidrovias, como Amsterdã, Bangkok, e Veneza - onde os canais passam ao lado e sob ruas e pontes movimentadas - podem incluir barcos autônomos que transportam mercadorias e pessoas, ajudando a limpar o congestionamento das estradas. p Pesquisadores do Laboratório de Ciência da Computação e Inteligência Artificial do MIT (CSAIL) e do Senseable City Lab no Departamento de Estudos e Planejamento Urbano (DUSP), deram um passo em direção a esse futuro ao projetar uma frota de barcos autônomos que oferecem alta capacidade de manobra e controle preciso. Os barcos também podem ser impressos rapidamente em 3-D usando uma impressora de baixo custo, tornando a manufatura em massa mais viável.

Os barcos podem ser usados ​​para taxiar as pessoas e entregar mercadorias, facilitando o tráfego nas ruas. No futuro, os pesquisadores também prevêem os barcos sem condutor sendo adaptados para realizar serviços na cidade durante a noite, em vez de durante o dia agitado, reduzindo ainda mais o congestionamento em estradas e canais.

"Imagine mudar alguns dos serviços de infraestrutura que geralmente ocorrem durante o dia na estrada - entregas, gerenciamento de lixo, gestão de resíduos - até o meio da noite, na água, usando uma frota de barcos autônomos, "diz a diretora do CSAIL Daniela Rus, coautor em um artigo que descreve a tecnologia que está sendo apresentada na Conferência Internacional IEEE sobre Robótica e Automação desta semana.

Além disso, os barcos - cascos retangulares de 4 por 2 metros equipados com sensores, microcontroladores, Módulos GPS, e outro hardware - pode ser programado para se automontar em pontes flutuantes, palcos de concertos, plataformas para mercados de alimentos, e outras estruturas em questão de horas. "Novamente, algumas das atividades que geralmente ocorrem em terra, e que causam perturbação na forma como a cidade se move, pode ser feito temporariamente na água, "diz Rus, quem é o professor Andrew e Erna Viterbi de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação.

Os barcos também podem ser equipados com sensores ambientais para monitorar as águas de uma cidade e obter informações sobre a saúde urbana e humana.

Os co-autores do artigo são:primeiro autor Wei Wang, um pós-doutorado conjunto em CSAIL e o Senseable City Lab; Luis A. Mateos e Parque Shinkyu, ambos os pós-doutorandos do DUSP; Pietro Leoni, um pesquisador, e Fábio Duarte, um cientista pesquisador, tanto no DUSP quanto no Senseable City Lab; Banti Gheneti, um aluno de pós-graduação no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação; e Carlo Ratti, pesquisador principal e professor da prática no DUSP e diretor do MIT Senseable City Lab.

Melhor design e controle

O trabalho foi conduzido como parte do projeto "Roboat", uma colaboração entre o MIT Senseable City Lab e o Amsterdam Institute for Advanced Metropolitan Solutions (AMS). Em 2016, como parte do projeto, os pesquisadores testaram um protótipo que circulou pelos canais da cidade, avançando, para trás, e lateralmente ao longo de um caminho pré-programado.

O artigo ICRA detalha várias inovações importantes:uma técnica de fabricação rápida, um design mais eficiente e ágil, e algoritmos avançados de rastreamento de trajetória que melhoram o controle, encaixe e travamento de precisão, e outras tarefas.

Para fazer os barcos, os pesquisadores imprimiram em 3D um casco retangular com uma impressora comercial, produzindo 16 seções separadas que foram emendadas. A impressão demorou cerca de 60 horas. O casco concluído foi então selado através da adesão de várias camadas de fibra de vidro.

Integrada ao casco está uma fonte de alimentação, Antena Wi-Fi, GPS, e um minicomputador e microcontrolador. Para um posicionamento preciso, os pesquisadores incorporaram um sistema de farol de ultrassom interno e módulos de GPS cinemáticos em tempo real ao ar livre, que permitem a localização ao nível do centímetro, bem como um módulo de unidade de medição inercial (IMU) que monitora a guinada e a velocidade angular do barco, entre outras métricas.

O barco tem uma forma retangular, em vez das formas tradicionais de caiaque ou catamarã, para permitir que a embarcação se mova lateralmente e se prenda a outras embarcações ao montar outras estruturas. Outro elemento de design simples, mas eficaz, foi a colocação do propulsor. Quatro propulsores são posicionados no centro de cada lado, em vez de nos quatro cantos, gerando forças para frente e para trás. Isso torna o barco mais ágil e eficiente, dizem os pesquisadores.

A equipe também desenvolveu um método que permite ao barco rastrear sua posição e orientação com mais rapidez e precisão. Para fazer isso, eles desenvolveram uma versão eficiente de um algoritmo de controle preditivo de modelo não linear (NMPC), geralmente usado para controlar e navegar robôs dentro de várias restrições.

O NMPC e algoritmos semelhantes já foram usados ​​para controlar barcos autônomos antes. Mas normalmente esses algoritmos são testados apenas em simulação ou não levam em consideração a dinâmica do barco. Os pesquisadores, em vez disso, incorporaram no algoritmo modelos matemáticos não lineares simplificados que respondem por alguns parâmetros conhecidos, como arrasto do barco, forças centrífugas e de Coriolis, e massa adicionada devido à aceleração ou desaceleração na água. Os pesquisadores também usaram um algoritmo de identificação que identifica quaisquer parâmetros desconhecidos conforme o barco é treinado em um caminho.

Finalmente, os pesquisadores usaram uma plataforma de controle preditivo eficiente para executar seu algoritmo, que pode determinar rapidamente as ações futuras e aumentar a velocidade do algoritmo em duas ordens de magnitude em relação a sistemas semelhantes. Enquanto outros algoritmos são executados em cerca de 100 milissegundos, o algoritmo dos pesquisadores leva menos de 1 milissegundo.

Testando as águas

Para demonstrar a eficácia do algoritmo de controle, os pesquisadores implantaram um protótipo menor do barco ao longo de caminhos pré-planejados em uma piscina e no rio Charles. Ao longo de 10 execuções de teste, os pesquisadores observaram erros de rastreamento médios - no posicionamento e orientação - menores do que os erros de rastreamento de algoritmos de controle tradicionais.

Essa precisão é graças, em parte, aos módulos de GPS e IMU a bordo do barco, que determinam a posição e direção, respectivamente, até o centímetro. O algoritmo NMPC analisa os dados desses módulos e pesa várias métricas para orientar o barco corretamente. O algoritmo é implementado em um computador controlador e regula cada propulsor individualmente, atualizando a cada 0,2 segundos.

“O controlador considera a dinâmica do barco, estado atual do barco, restrições de impulso, e a posição de referência pelos próximos segundos, para otimizar como o barco dirige no caminho, "Wang diz." Podemos então encontrar a força ideal para os propulsores que podem levar o barco de volta ao caminho e minimizar os erros. "

As inovações em design e fabricação, bem como algoritmos de controle mais rápidos e precisos, apontam para barcos sem condutor viáveis ​​usados ​​para transporte, encaixe, e automontagem em plataformas, dizem os pesquisadores.

Uma próxima etapa do trabalho é desenvolver controladores adaptativos para contabilizar as mudanças na massa e arrasto do barco ao transportar pessoas e mercadorias. Os pesquisadores também estão refinando o controlador para compensar as perturbações das ondas e correntes mais fortes.

"Na verdade, descobrimos que o rio Charles tem muito mais correnteza do que os canais de Amsterdã, "Diz Wang." Mas haverá muitos barcos circulando, e grandes barcos trarão grandes correntes, então ainda temos que considerar isso. "