Il futuro dei trasporti nelle città ricche di vie d'acqua come Amsterdam, Bangkok, e Venezia, dove i canali corrono lungo e sotto strade trafficate e ponti, possono includere barche autonome che trasportano merci e persone, aiutando a liberare la congestione stradale.

Ricercatori del Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) del MIT e del Senseable City Lab del Dipartimento di Studi e Pianificazione Urbana (DUSP), hanno fatto un passo verso quel futuro progettando una flotta di barche autonome che offrono un'elevata manovrabilità e un controllo preciso. Le barche possono anche essere stampate rapidamente in 3D utilizzando una stampante a basso costo, rendere più fattibile la produzione di massa.

Le barche potrebbero essere utilizzate per rullare le persone e per consegnare merci, facilitando il traffico stradale. Nel futuro, i ricercatori prevedono anche che le barche senza conducente vengano adattate per eseguire servizi cittadini durante la notte, invece che durante le intense ore diurne, riducendo ulteriormente la congestione su strade e canali.

"Immagina di spostare alcuni dei servizi infrastrutturali che di solito avvengono durante il giorno sulla strada:consegne, gestione dei rifiuti, gestione dei rifiuti, fino a notte fonda, sull'acqua, utilizzando una flotta di imbarcazioni autonome, " afferma il Direttore CSAIL Daniela Rus, coautore di un documento che descrive la tecnologia presentata alla conferenza internazionale IEEE di robotica e automazione di questa settimana.

Inoltre, le barche:scafi rettangolari di 4x2 metri dotati di sensori, microcontrollori, moduli GPS, e altro hardware, potrebbe essere programmato per autoassemblarsi in ponti galleggianti, palcoscenici per concerti, piattaforme per i mercati alimentari, e altre strutture in poche ore. "Ancora, alcune delle attività che di solito si svolgono a terra, e che causano disturbo nel modo in cui si muove la città, può essere fatto temporaneamente sull'acqua, "dice Rus, che è il Professore Andrew ed Erna Viterbi di Ingegneria Elettrica e Informatica.

Le barche potrebbero anche essere dotate di sensori ambientali per monitorare le acque di una città e ottenere informazioni sulla salute urbana e umana.

I coautori del documento sono:il primo autore Wei Wang, un postdoc congiunto in CSAIL e Senseable City Lab; Luis A. Mateos e il Parco Shinkyu, entrambi i postdoc DUSP; Pietro Leoni, un ricercatore, e Fabio Duarte, uno scienziato ricercatore, sia nel DUSP che nel Senseable City Lab; Banti Gheneti, uno studente laureato presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica; e Carlo Ratti, un investigatore principale e professore della pratica nel DUSP e direttore del MIT Senseable City Lab.

Migliore design e controllo

Il lavoro è stato condotto nell'ambito del progetto "Roboat", una collaborazione tra il MIT Senseable City Lab e l'Amsterdam Institute for Advanced Metropolitan Solutions (AMS). Nel 2016, come parte del progetto, i ricercatori hanno testato un prototipo che ha navigato lungo i canali della città, andando avanti, indietro, e lateralmente lungo un percorso preprogrammato.

Il documento dell'ICRA descrive in dettaglio alcune importanti novità:una tecnica di fabbricazione rapida, un design più efficiente e agile, e algoritmi avanzati di tracciamento della traiettoria che migliorano il controllo, aggancio e aggancio di precisione, e altri compiti.

Per fare le barche, i ricercatori hanno stampato in 3-D uno scafo rettangolare con una stampante commerciale, producendo 16 sezioni separate che sono state unite insieme. La stampa ha richiesto circa 60 ore. Lo scafo completato è stato quindi sigillato mediante l'adesione di diversi strati di fibra di vetro.

Nello scafo sono integrati un alimentatore, Antenna Wi-Fi, GPS, e un minicomputer e un microcontrollore. Per un posizionamento preciso, i ricercatori hanno incorporato un sistema di segnalazione a ultrasuoni per interni e moduli GPS cinematici in tempo reale per esterni, che consentono la localizzazione a livello di centimetro, così come un modulo di unità di misura inerziale (IMU) che monitora l'imbardata e la velocità angolare della barca, tra le altre metriche.

La barca è di forma rettangolare, invece delle tradizionali forme di kayak o catamarano, per consentire all'imbarcazione di spostarsi lateralmente e di attaccarsi ad altre imbarcazioni durante l'assemblaggio di altre strutture. Un altro elemento di design semplice ma efficace è stato il posizionamento del propulsore. Quattro propulsori sono posizionati al centro di ogni lato, invece che ai quattro angoli, generando forze in avanti e indietro. Questo rende la barca più agile ed efficiente, dicono i ricercatori.

Il team ha anche sviluppato un metodo che consente all'imbarcazione di tracciare la propria posizione e il proprio orientamento in modo più rapido e preciso. Fare così, hanno sviluppato una versione efficiente di un algoritmo di controllo predittivo del modello non lineare (NMPC), generalmente utilizzato per controllare e navigare i robot entro vari vincoli.

L'NMPC e algoritmi simili sono stati utilizzati in precedenza per controllare le barche autonome. Ma in genere quegli algoritmi vengono testati solo in simulazione o non tengono conto della dinamica della barca. I ricercatori hanno invece incorporato nell'algoritmo modelli matematici non lineari semplificati che tengono conto di alcuni parametri noti, come il trascinamento della barca, forze centrifughe e di Coriolis, e massa aggiunta a causa dell'accelerazione o della decelerazione in acqua. I ricercatori hanno anche utilizzato un algoritmo di identificazione che identifica quindi eventuali parametri sconosciuti mentre la barca viene addestrata su un percorso.

Finalmente, i ricercatori hanno utilizzato un'efficiente piattaforma di controllo predittivo per eseguire il loro algoritmo, che può determinare rapidamente le azioni imminenti e aumenta la velocità dell'algoritmo di due ordini di grandezza rispetto a sistemi simili. Mentre altri algoritmi vengono eseguiti in circa 100 millisecondi, l'algoritmo dei ricercatori impiega meno di 1 millisecondo.

Testare le acque

Per dimostrare l'efficacia dell'algoritmo di controllo, i ricercatori hanno distribuito un prototipo più piccolo della barca lungo percorsi prestabiliti in una piscina e nel fiume Charles. Nel corso di 10 esecuzioni di test, i ricercatori hanno osservato errori di tracciamento medi, nel posizionamento e nell'orientamento, più piccoli degli errori di tracciamento degli algoritmi di controllo tradizionali.

Questa precisione è grazie, in parte, ai moduli GPS e IMU di bordo della barca, che determinano posizione e direzione, rispettivamente, fino al centimetro. L'algoritmo NMPC elabora i dati da quei moduli e pesa varie metriche per governare la barca in modo corretto. L'algoritmo è implementato in un computer controller e regola individualmente ogni propulsore, aggiornamento ogni 0,2 secondi.

"Il controller tiene conto della dinamica della barca, stato attuale della barca, vincoli di spinta, e posizione di riferimento per i prossimi secondi, per ottimizzare la guida della barca sul percorso, "Dice Wang. "Possiamo quindi trovare la forza ottimale per i propulsori che possono riportare la barca sul percorso e ridurre al minimo gli errori".

Le innovazioni nel design e nella fabbricazione, così come algoritmi di controllo più veloci e precisi, puntare verso imbarcazioni senza conducente utilizzabili per il trasporto, attracco, e autoassemblanti in piattaforme, dicono i ricercatori.

Un passo successivo per il lavoro è lo sviluppo di controller adattivi per tenere conto dei cambiamenti nella massa e nella resistenza dell'imbarcazione durante il trasporto di persone e merci. I ricercatori stanno anche perfezionando il controller per tenere conto dei disturbi delle onde e delle correnti più forti.

"In realtà abbiamo scoperto che il fiume Charles ha molta più corrente che nei canali di Amsterdam, " dice Wang. "Ma ci saranno un sacco di barche in movimento, e grandi barche porteranno grandi correnti, quindi dobbiamo ancora considerare questo."