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MIT 自动驾驶船航行三小时误差 0.17 米:可「自重构」,已登上机器人顶会

本文作者:付静 2020-10-29 16:55
导语:用尖端技术重新构想城市基础设施。

2012 年 5 月,谷歌获得了美国首个自动驾驶车辆许可证。

2017 年 4 月 19 日,百度正式宣布 Apollo 计划,打造全球首个系统级开源的自动驾驶平台。

如今,自动驾驶的赛道上已涌入了众多玩家。甚至于,Waymo、Cruise 等 60 家美国公司已经向加州车管所申请「全自动驾驶测试执照」,安全驾驶员们似乎也要逐渐载入史册了。

MIT 自动驾驶船航行三小时误差 0.17 米:可「自重构」,已登上机器人顶会

陆上自动驾驶发展迅猛,那么水上呢?

早在 2010 年,英国豪华汽车品牌、著名发动机制造商劳斯莱斯就开始着手研发自动驾驶船舶技术了。2018 年,劳斯莱斯联合英特尔宣布:首款无需船员的自动驾驶远洋轮有望在 2025 年起航。

除了工业界,学术界也在着力打造自动驾驶船——自 2016 年起,MIT 计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)、MIT 可感知城市实验室和阿姆斯特丹先进城市解决方案研究所就开始了一项名为 Roboat 的计划。

MIT 自动驾驶船航行三小时误差 0.17 米:可「自重构」,已登上机器人顶会

目前,研究团队已经宣布设计出了一艘 Roboat II,这艘船号称 Covid-friendly,即使是在船上乘客们也能保持社交距离。

在近日召开的机器人国际顶级会议 2020 IEEE 国际智能机器人与系统大会(IROS 2020)上,有关 Roboat II 的研究论文发表。

Roboat II 什么样? 

这一项目成立的初衷是:利用自动驾驶船只,在阿姆斯特丹的 165 条运河上运送乘客和货物、收集垃圾。

除了运输以外,船只还将部署「环境感知功能」监控水质(如下图),为预测与公共卫生、环境有关的问题提供数据。

MIT 自动驾驶船航行三小时误差 0.17 米:可「自重构」,已登上机器人顶会

作为项目的最新版设计,Roboat II 在一条阿姆斯特丹的运河上成功航行了三小时,最终返回了起始位置,整个过程的误差仅 0.17 米。

Roboat II 会“变形”

Roboat II 看上去像是几个相连的矩形块打造的“拼图”。

这种矩形块被称为「连接容器平台」(connected-vessel platform),每个部分均有四个螺旋桨、一个无线微控制器,以及几个能将它们连在一起的自动闩锁机制和传感系统。

MIT 自动驾驶船航行三小时误差 0.17 米:可「自重构」,已登上机器人顶会

MIT 在一篇博客中详细介绍了 Roboat II 的相关数据:尺寸方面,Roboat II 长 2 米,重 50 公斤,一次最多可搭载 6 名乘客。

也就是说,这艘看上去并不太安全的船实际上完全可以满足城市运河的常规运输需求。

其运作过程是:当“领队”向指定目的地进发时,其他部分可以估计出领队部分的意图,并调整它们自己的移动。领队部分也可通过调整输入来操纵其余部分,这个过程无需任何通信。

据了解,MIT 通过以下两种情况测试了各部分的控制方法:

  1. 三部分串联

  2. 三部分并联

结果表明,两种情况下 Roboat II 各部分都可以跟踪各种轨迹和方向,领队部分会受其他部分的协助。

也就是说,Roboat II 已经有了一种“变形”的新功能,即通过自主断开和重新组装成各种构型。

每个部分可从一条直线重新排列为其他形状,比如“ L”形(如上图),而这种转换只需几分钟。计算机模拟中,可以可以有最多 12 个部分从一个大矩形重新排列为“Z”形。

MIT 自动驾驶船航行三小时误差 0.17 米:可「自重构」,已登上机器人顶会

Roboat II 包含哪些技术?

Roboat II 背后的技术在于:

  • 一种即时定位与映射(SLAM)算法:可使船只尽可能高效地重新排列形状,每一部分可在一组特定的形状中彼此解锁,再重新附着至适当位置,行进过程无碰撞;

  • 一种基于优化的状态估计器(运动水平估计器):更新路径,从而避开检测到的障碍物;

  • 一种基于模型的最优控制器(非线性模型预测控制器):跟踪来自估计器的参考轨迹。

基于 SLAM 算法、激光雷达、GPS 传感器和惯性测量单元(inertial measurement unit),Roboat II 进行自我定位、控制姿态和速度。

对于团队共同的研究成果,论文主要作者、MIT 可感知城市实验室和 CSAIL 高级博士后助理 Wei Wang 表示:

想要全面实现精确测绘、鲁棒控制、载人运输的自动驾驶船只系统,Roboat II 正是关键一步。

未来,研究人员计划利用 AI 来估计 Roboat II 的关键参数。他们还打算在自适应控制器上做文章——当船上放置了物体时,船只的结构可以动态改变。

团队的计划是,船只可以自组装成“弹出式”平台,如桥梁和舞台,从而缓解城市街道的拥堵情况。

Roboat 项目已持续 5 年

正如前文所述, MIT 团队的无人驾驶船只研究已有 5 年历史了。

2016 年,该项目的第一款作品 Roboat 问世,Roboat 的核心研究团队还有荷兰代尔夫特理工大学、瓦格宁根大学。

这款 Roboat 可在运河中沿着预先规划好的路径前进、后退、横向移动,当时其原型也在运河上进行了简单的测试。

随后在 2018 年 5 月,研究人员又设计出了低成本、3D 打印、四分之一比例的船只,这些船只相比前代更为高效灵活,还配备了先进的轨迹跟踪算法。

2019 年 6 月,团队再次研发了一种「自动锁定机制」,船只会瞄准目标、相互紧扣,一旦失败还会继续尝试。

下图为通过 VR 对船只的构想。

MIT 自动驾驶船航行三小时误差 0.17 米:可「自重构」,已登上机器人顶会

经过几年的积累,MIT 的无人驾驶船只在软硬件方面逐渐走向成熟,相信未来 Roboat 在城市运河项目上将会发挥重要作用。

引用来源:

https://news.mit.edu/2019/roboats-autonomous-connect-assemble-0829

http://roboat.org/

https://venturebeat.com/2020/10/26/mit-csails-roboat-ii-is-an-autonomous-platform-large-enough-to-carry-human-passengers/

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