La flotte de bateaux autonomes du MIT peut maintenant changer de forme

La flotte de robots du MIT a été mise à jour avec de nouvelles capacités de « shapeshift », en se déconnectant et en se réassemblant de manière autonome dans une variété de configurations, pour former des structures flottantes dans les nombreux canaux d’Amsterdam.

Les bateaux autonomes – coques rectangulaires équipées de capteurs, propulseurs, microcontrôleurs, modules GPS, caméras et autres matériels – sont en cours de développement dans le cadre du programme en cours.Roboat »entre le MIT et l’Amsterdam Institute for Advanced Metropolitan Solutions (AMS Institute). Le projet est dirigé par les professeurs du MIT Carlo Ratti, Daniela Rus, Dennis Frenchman et Andrew Whittle. À l’avenir, Amsterdam veut que les robots parcourent ses 165 canaux sinueux, transportant des marchandises et des personnes, ramassant les ordures ou s’assemblant eux-mêmes sur des plates-formes « pop-up » – comme des ponts et des scènes – pour aider à décongestionner les rues animées de la ville.

En 2016, les chercheurs du MIT ont mis à l’essai un prototype de robot qui pouvait avancer, reculer et suivre latéralement une trajectoire préprogrammée dans les canaux. L’an dernier, les chercheurs ont conçu des versions à un quart d’échelle, imprimées en 3D et peu coûteuses, qui étaient plus efficaces et plus agiles, et qui étaient équipées d’algorithmes avancés de suivi de trajectoire. En juin, ils ont créé un mécanisme de verrouillage autonome qui permet aux bateaux de se viser et de s’accrocher l’un à l’autre, et de continuer à essayer s’ils échouent.

Dans un nouvel article présenté lors du symposium international de l’IEEE de la semaine dernière sur les systèmes multi-robots et multi-agents, les chercheurs décrivent un algorithme qui permet aux robots de se refaçonner aussi efficacement que possible. L’algorithme gère toute la planification et le suivi qui permet à des groupes d’unités robotisées de se déverrouiller les unes des autres dans une configuration définie, de suivre une trajectoire sans collision et de se rattacher à leur emplacement approprié sur la nouvelle configuration définie.

Lors de démonstrations dans un pool du MIT et de simulations par ordinateur, des groupes d’unités robotiques reliées entre elles se sont réorganisés à partir de lignes droites ou de carrés dans d’autres configurations, telles que des rectangles et des formes en « L ». Les transformations expérimentales n’ont pris que quelques minutes. Les changements de forme plus complexes peuvent prendre plus de temps, selon le nombre d’unités en mouvement – qui peuvent être des dizaines – et les différences entre les deux formes.

« Nous avons permis aux robots d’établir et de rompre des liens avec d’autres robots, avec l’espoir de déplacer des activités dans les rues d’Amsterdam vers l’eau « , déclare Rus, directeur du Laboratoire d’informatique et d’intelligence artificielle (CSAIL) et titulaire de la chaire Andrew et Erna Viterbi de génie électrique et informatique. « Un ensemble de bateaux peut s’assembler pour former des formes linéaires comme des ponts escamotables, si nous avons besoin d’envoyer des matériaux ou des personnes d’un côté à l’autre d’un canal. Ou, nous pouvons créer des plates-formes pop-up plus larges pour les marchés de fleurs ou les marchés alimentaires. »

Rejoindre Rus sur le papier, c’est : Ratti, directeur du Senseable City Lab du MIT et, également du laboratoire, le premier auteur Banti Gheneti, Ryan Kelly et Drew Meyers, tous chercheurs ; Shinkyu Park et Pietro Leoni, chercheur associé.

Trajectoires sans collision

Pour leur travail, les chercheurs ont dû relever des défis grâce à la planification, au suivi et à la connexion autonomes de groupes d’unités robotisées. Donner à chaque unité des capacités uniques pour, par exemple, se localiser, s’entendre sur la façon de se séparer et de se réformer, puis de se déplacer librement, nécessiterait des techniques complexes de communication et de contrôle qui pourraient rendre les mouvements inefficaces et lents.

Pour faciliter les opérations, les chercheurs ont développé deux types d’unités : les coordonnateurs et les travailleurs. Un ou plusieurs travailleurs se connectent à un coordinateur pour former une entité unique, appelée « plate-forme à navires connectés » (CVP). Toutes les unités de coordination et de travail sont équipées de quatre hélices, d’un microcontrôleur sans fil et de plusieurs mécanismes de verrouillage automatisés et systèmes de détection qui leur permettent de se relier entre eux.

Toutefois, les coordonnateurs sont également équipés d’un GPS pour la navigation et d’une unité de mesure inertielle (IMU), qui calcule la localisation, la pose et la vitesse. Les travailleurs n’ont que des actionneurs qui aident le CVP à se diriger le long d’un chemin. Chaque coordonnateur est au courant et peut communiquer sans fil avec tous les travailleurs connectés. Les structures sont composées de plusieurs CVP et chaque CVP peut s’emboîter les unes dans les autres pour former une entité plus grande.

Pendant le changement de forme, tous les PVC connectés dans une structure comparent les différences géométriques entre sa forme initiale et sa nouvelle forme. Ensuite, chaque PVC détermine s’il reste au même endroit et s’il doit se déplacer. Chaque CVP en mouvement se voit alors attribuer un temps de démontage et une nouvelle position dans la nouvelle forme.

Chaque CVP utilise une technique de planification de trajectoire personnalisée pour calculer un moyen d’atteindre sa position cible sans interruption, tout en optimisant l’itinéraire pour la vitesse. Pour ce faire, chaque CVP calcule à l’avance toutes les zones sans collision autour de la CVP en mouvement lorsqu’elle tourne et s’éloigne d’une CVP stationnaire.

Après avoir pré-calculé ces régions sans collision, le CVP trouve alors la trajectoire la plus courte vers sa destination finale, ce qui l’empêche de frapper l’unité stationnaire. Notamment, des techniques d’optimisation sont utilisées pour rendre l’ensemble du processus de planification de la trajectoire très efficace, le calcul préalable ne prenant qu’un peu plus de 100 millisecondes pour trouver et affiner des chemins sûrs. À l’aide des données du GPS et de l’IMU, le coordonnateur estime ensuite sa pose et sa vitesse à son centre de masse, et contrôle sans fil toutes les hélices de chaque unité et se déplace vers la position cible.

Dans le cadre de leurs expériences, les chercheurs ont mis à l’essai trois PVC unitaires, composés d’un coordonnateur et de deux travailleurs, dans plusieurs scénarios de changement de forme différents. Chaque scénario impliquait qu’un PDC se détache de la forme initiale et se déplace et se rattache à un point cible autour d’un deuxième PDC.

Trois CVP, par exemple, se sont réarrangés d’une ligne droite connectée – où ils étaient verrouillés ensemble sur leurs côtés – en une ligne droite connectée à l’avant et à l’arrière, ainsi qu’un « L ». Dans les simulations par ordinateur, jusqu’à 12 robots se sont réorganisés, par exemple, d’un rectangle en carré ou d’un carré plein en forme de  » Z « .

Mise à l’échelle

Des expériences ont été menées sur des unités robotisées d’environ 1 mètre de long et un demi-mètre de large, de la taille d’un quart de cercle. Mais les chercheurs croient que leur algorithme de planification de trajectoires s’adaptera bien au contrôle des unités grandeur nature, qui mesureront environ 4 mètres de long et 2 mètres de large.

Les chercheurs espèrent utiliser les robots pour former un « pont » dynamique sur un canal de 60 mètres entre le musée des sciences NEMO du centre-ville d’Amsterdam et une zone en cours de développement. Appelé RoundAroundL’idée est d’utiliser des robots pour naviguer en cercle continu à travers le canal, prendre et déposer les passagers aux quais et les arrêter ou les réacheminer lorsqu’ils détectent quelque chose sur leur chemin. À l’heure actuelle, il faut environ 10 minutes pour contourner cette voie navigable, mais le pont peut réduire ce temps à environ deux minutes. Il s’agit encore d’un concept exploratoire.

« Ce sera le premier pont au monde composé d’une flotte de bateaux autonomes. « Un pont ordinaire coûterait très cher, parce qu’il y a des bateaux qui passent, il faudrait donc un pont mécanique qui s’ouvre ou un pont très haut. Mais nous pouvons relier deux côtés du canal (en utilisant) des bateaux autonomes qui deviennent des architectures dynamiques et réactives qui flottent sur l’eau. »

Pour atteindre cet objectif, les chercheurs poursuivent le développement des robots afin de s’assurer qu’ils peuvent retenir les personnes en toute sécurité et qu’ils sont résistants à toutes les conditions météorologiques, comme les fortes pluies. Ils s’assurent également que les robots peuvent se connecter efficacement aux côtés des canaux, dont la structure et la conception peuvent varier considérablement.