你見過機器船嗎？MIT新版ROBOAT可以自動組裝

阿姆斯特丹運河是這座城市的重要標誌，運河遊船也是探索這座城市的最佳方式之一。現在，阿姆斯特丹設想了這樣一種未來場景：運河河道上漂浮著大量自動船隻，它們可以運載貨物和人、收集垃圾，或者自組裝成橋梁。為此，MIT 研究者給他們正在進行的機器船項目賦予了新能力：以彼此為目標並連接在一起，如果失敗了則繼續嘗試直到成功。

MIT 研究者開發了一種新型鎖閉系統（latching system），機器船可以克服水流干擾，高效安全地組裝在一起。

被譽為「北方威尼斯」的阿姆斯特丹擁有 165 條運河道，它們環繞著繁忙的城市街道。幾年前，MIT 和荷蘭先進都市解決方案協會（AMS）開始合作「Roboat」項目，旨在構建自動機器船以提供水上智能交通，從而緩解城市街道的交通擁堵。這些機器船的船體是矩形的，配備有傳感器、推進器、微處理器、GPS 模塊、攝影頭等硬體。

如圖所示，該機器船船體為矩形（長寬比為 2:1，整個船體平台的維度為 1000mm×500mm× 150mm），每條邊的中間分別有一個推進器（f1、f2、f3、f4）。船頂部是負責感知和定位的 VLP-16 雷射雷達（見圖 1）。該機器船還配備有 Intel Realsense 攝影頭，用於檢測標記，以及慣性測量單元裝置（IMU），用於測量傾斜角和速率。

Roboat 項目的目標之一就是提供新的水上交通解決方案。另一個目標是用機器船自動組建橋梁、表演舞台甚至菜場等臨時場地。這些由機器船組建的場地可以在固定時間後自動「解散」，再為某些具體活動而自動組合。此外，機器船還可以用作探測器，收集阿姆的基礎設施、空氣和水質等數據，為城市和市民健康提供重要信息。

2016 年，MIT 研究者測試了 roboat 原型，它可以在阿姆斯特丹的運河道裡遊弋，能夠沿著預編程的路徑前後移動。去年，研究者設計了低成本的 3D 印表機器船，大小僅為之前版本的 1/4，更加高效和靈活，它還配備了先進的軌跡追蹤算法。

最近，該研究的相關論文發表在了 ICRA 大會上，研究者介紹了目前這些機器船可以識別「停靠點」（docking station）並與之連接。控制算法指引機器船向目標行進，它們可以自動連接至定製化鎖閉裝置（latching mechanism），且精度可達毫米級。此外，當機器船注意到自己沒有與停靠點成功連接時，會重新開始嘗試。

研究者在 MIT 的游泳池和水流稍微洶湧一些的查爾斯河裡對這一鎖閉技術進行了測試。在兩個場景中，機器船通常能夠在大約 10 秒內成功連接（從約 1 米外的位置開始嘗試），或者會在幾次失敗後取得成功。

在阿姆，該系統對夜晚垃圾收集尤為有用。機器船可以在運河道中到處遊走，定位並連接至有垃圾桶的平台，然後把它們拖回垃圾收集設施。

論文一作 Luis Mateos 表示：「阿姆以前主要的交通渠道是運河，現在則是道路。運河道附近的道路非常擁擠，還有很多噪聲和汙染，因此阿姆斯特丹試圖將更多功能重新賦予運河。而自動駕駛技術可以節省時間、成本和能源，以及推動這座城市向前。」Luis Mateos 畢業於 MIT 城市研究與規劃系，現在是 MIT Senseable City Lab 的研究員。

「該項目旨在通過機器船賦能水上生活，」論文合著者、MIT CSAIL 負責人 Daniela Rus 表示，「新的鎖閉機制對於創建臨時水上設施至關重要。機器船的水上自動交通是不需要鎖閉機制的，但是創建臨時水上設施需要，不管是移動設施還是固定設施。」

如何連接

每一條機器船配備有多個鎖閉裝置分布在船體前後及側面，這些裝置包括球（ball）和槽（socket）組件。球組件類似於羽毛球，形狀為圓錐體，橡膠材料製成，頂端有一個金屬球。槽組件是一個寬漏鬥，可以指引球組件進入接收器（receptor）。在漏鬥中，雷射束作為安全系統，負責檢測球進入接收器的時間。這就激發了一種機制：槽的三個臂圍攏並捕捉到球，同時將表明船隻連接已完成的反饋信號發送給兩艘機器船。

在軟體方面，支持機器船運行的是自定義計算機視覺和控制技術。每條機器船都有一個雷射雷達系統和攝影頭，因此它們可以實現在運河道中點到點的自動移動。每一個停靠點（通常是不動的機器船）都有一些印有 AR 標記的紙，這些標記叫做 AprilTag，類似於簡化版的二維碼。AprilTag 常用於機器應用，它可以使機器人檢測並計算標記的準確 3D 位置和方向。

AprilTag 和攝影頭都安裝在機器船中心的相同位置。當一條正在移動的機器船離靜止 AprilTag 一兩米遠時，機器船會計算 AprilTag 的位置和方向。通常，這會生成船移動的 3D 地圖，包括原地打轉、上下顛簸和左右搖擺，不過算法不考慮「左右搖擺」，將 3D 空間簡化為易於計算的 2D 平面，它可以衡量機器船攝影頭與標記的距離和方向。基於這一信息，機器船能夠朝著標記前進。然後通過使攝影頭和標記完美對齊，來實現機器船的精確連接，如下圖所示：

鎖閉系統假設機器船和「停靠點」是在相似水準線上的，而漏鬥可以彌補機器船上下顛簸和起伏造成的不對齊。

然而，如果機器船超出了可計算距離，則它無法接收到來自雷射束的反饋信號，從而知道自己失敗了。Mateos 表示：「在水況複雜的區域，目前大小的機器船無法克服強風或激烈的水流。然後機器船的邏輯組件就會說『你錯過了目標，返回，重新計算位置，再次嘗試。』」（見算法 1）

未來發展

目前，研究者正在設計當前版本四倍大小的機器船，這樣它們在水上更加穩定。Mateos 還在更新漏鬥，使它具備像觸手一樣的橡膠抓具，從而可以握緊金屬球，就像章魚抓住獵物一樣。這將幫助機器船在拖著平台或其他機器船穿過狹窄的河道時能夠更加穩定、更有控制力。

該研究還包括一個系統，它在 LCD 顯示器上展示了 AprilTag 如何改變代碼讓多個機器船獲取信號，從而以給定順序自己組裝起來。首先，所有機器船都得到一個代碼：待在一米遠的地方。然後，代碼變更為「向要連接的第一隻機器船前進」。之後，代碼變更為「向要連接的下一隻機器船前進」，依此類推。「這就像傳聲筒遊戲。改變的代碼將信息一次傳向一條機器船，信息會告訴船應該如何做。」Mateos 表示。

意大利技術研究院先進機器人部門研究負責人 Darwin Caldwell 設想了自動鎖閉能力的更多可能應用。「我可以想象到這種技術應用於機器『加油」和停靠等多個領域，而不只是船舶系統。空中加油、空間對接、貨物集裝箱處理和家庭機器人充電等等。」

來源：機器之心

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