高机动性无人船 旨在减轻水路众多的城市交通负担,荷兰和美国的研究人员正在设计一款小型无人船

作者:伟德betvictot手机版    发布时间:2020-03-17 01:49    浏览:154 次

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未来的城市交通,是什么样的?你的脑海里,可能会出现无人车在路上飞驰的场景。不过,当大家还在关注陆地上奔跑的无人车时,水城阿姆斯特丹却将目光投向了城内密集交错的运河。这些运河,覆盖了城区四分之一的面积,却一直未能得到充分的利用。 为了开发运河的交通潜能,荷兰和美国的研究人员正在设计一款小型无人船,预计明年在阿姆斯特丹的河道里,你就能看到它的第一个原型。 和无人机伟德betvictot手机版 ,、无人车相似,无人船具备多组件的操作系统,人们可以远程利用无线网络或者卫星,监视船只情况,或者干脆让它全自动驾驶。阿姆斯特丹也将率世界之先,进入未来的水上交通时代。 它是一条万能的小船 其实小型无人船这个概念,早就不是什么新鲜事了。类似无人潜水艇这样的发明,在军事上已经有了广泛运用,不少国际机器船赛事中,也常能看见小型无人船在大海中穿梭作业的身影。不过,这些发明基本都只局限于科学研究范畴,并没有实际层面的运用。 阿姆斯特丹的小型无人船Roboat,就将高精尖的新科技带入了人们的日常生活。这个项目预计耗时5年完成,由多所研究机构合作,其中包括阿姆斯特丹城市研究所、美国麻省理工学院,以及两所荷兰高校:代尔夫特理工大学和瓦格宁根大学研究中心。 1、它能载人运货 #Roboat概念图# 作为一艘船,最基本的功能当然是运输。这个橙色的方形小船, 也担当了阿姆斯特丹水上出租的角色。它能在交织的运河中,快速运输货物和载人,大大提高运河在交通中的利用率。不过,关于船体的详细参数和运行原理的具体细节,我们并未在研究人员提供的报告中找到。项目的官方网站上说:它还处于测试阶段,我们会不断试验、找到最合适的大小和形状。 除了实用性外,无人船的开发人员还尽量保证Roboat的可持续性,它由电力驱动,因而并不会给阿姆斯特丹带来任何碳排放压力。正如项目负责人Van Timmeren所说:我们把城市看作一个整体,就像一个需要保持健康的有机体一样。如果它能得到广泛使用,不仅城市的交通会变得更加便利,环境负担也会大大减轻! 2、它可以变成一座过河就拆的桥 不过,它的本领可远不止这些。把它们组建在一起,数小时内就可以变成一座机动的临时浮桥,当陆地上堵车或到了重大节庆的时候,浮桥可以分出一部分人流量,帮助缓解交通压力。 它也能成为一个临时的水上平台,可以用来为公共户外表演提供场地。打个比方,想象一下Justin Bieber要在河边开一场演唱会,可是河岸却没有足够大的位置。这时,Roboat可以组成一个水上漂浮平台,满足他和观众的需求。 3、它能给运河看病 水是生命的载体,在水环境监测方面,Roboat也起着重要作用。船体自带的传感器能在水下监测运河的水环境,并从中提取人类废弃物的样本数据。有了这些数据,研究人员能全面地了解城区运河中细菌、病毒的分布情况,从而获得潜在传染病的早期征兆,保障城市居民的公共健康和安全。 有了Roboat构成的监测网络,阿姆斯特丹河道里的垃圾也藏不住了,淤积在河道深处的自行车们,也有了更快捷的解决办法。 小型无人船的前景 在交通、物流、环境等诸多方面的出色表现,使得小型无人船拥有广阔的前景。有分析人员认为,无人船这项技术是颠覆性的,它将会彻底改变船只的设计和运作模式,并且深刻影响未来的水上交通运输系统。 如今,世界上80%的经济产出都围绕着海岸、河岸和三角洲进行,60%的世界人口居住在这些区域内。同时,全球气候变暖导致的海平面上升,也将增加对于这项技术的需求。研究人员希望这种无人船,也能在其他地区得到运用。 久受海潮上涨困扰的美国城市波士顿,是Roboat项目的合作伙伴之一。2014年,一位波士顿城市规划的合伙人,曾建议该市把一些街道改造成运河,以缓解海平面上升的压力,也许下一步,就是把运河里填满Roboat了。 一些公司也开始在其他地区尝试使用无人船,以作商业用途。在美国加州阿拉米达的开放水域,科技公司Saildrone建造了一系列看起来像小型游艇的迷你三体帆船,他们被用来探测鱼群和收集海洋环境数据。 #Saildrone的无人小帆船# 不过,前方却并非一片坦途,水上驾驶的无人船,在保持安全性上比人工驾驶的船只更加困难。无人看管,船只上的货物可能会被盗或被挟持。 即便如此,自动化依旧是未来交通的发展方向。如果你明年有机会去阿姆斯特丹,一定要记得在运河体验一把Roboat哟!

近期,美国麻省理工学院官方网站MIT news报道了工学院院友王伟最新的科研成果——无人驾驶水面舰艇。(新闻链接:

自动驾驶船舶将成为阿姆斯特丹的新景观

新闻内容如下:

凤凰科技讯 北京时间9月20日消息,据外媒报道,阿姆斯特丹是荷兰首都,该城市的四分之一都“泡”在水中,拥有四通八达的水道。作为最先进入资本主义的国家,阿姆斯特丹更是兴建了大量运河,其市内运河长度甚至超过100千米。因此,水路必然会是该城市未来交通的重要组成部分,而将船舶自动驾驶化就是它们独有的特色。

高机动性无人船 旨在减轻水路众多的城市交通负担

今天,阿姆斯特丹城市研究所公布了一项全新的研究计划,未来五年内它们将把船舶变成运河上漂浮的机器人。

 

“用自动驾驶船舶运输货物和游客,绝对酷劲十足,”麻省理工的拉蒂说道,他是该项目的主要研究者之一。“除了运输人员和货物,未来自动驾驶船舶可能还会成为运河上的新型的桥梁和台阶,它们也符合分享经济的特点,可在几个小时之内搭建或拆除。”

在阿姆斯特丹、曼谷和威尼斯等富含水路的城市,未来的交通运输手段可能会是自动驾驶船,它可以用于运送货物和人员,帮助清理道路拥堵。

该项目被命名为Roboat,非常直观好记,其背后的研发核心则为麻省理工和荷兰的两所顶级学府。据悉,整个项目的研发投资为2700万美元,最快明年我们就能见到自动驾驶船舶在阿姆斯特丹的运河上试验性行驶了。

麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室(CSAIL)以及城市研究与规划部门(DUSP)的实验室研究人员通过设计一系列具有高机动性和精确控制的自动驾驶船,朝着预想中的未来迈出了一步。使用低成本打印机可以快速3D打印船,使批量生产可行。

除了上述计划,Roboat项目还会在数据收集机器人领域进行探索,以解决公共健康问题。研究人员会将机器人放入下水道,它们会采样并分析城市的健康状况,及时探知是否有流感或糖尿病等病症出现。

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除了自用,未来这些自动驾驶船舶可能也会卖给其他国家,毕竟全球80%的经济产出都来自海岸和三角洲地区,而且该区域聚居了全世界60%的人口。此外,全球变暖等因素也造成人们对船舶的需求越来越大。

无人船原型

这些船只可以用来在周围运送货物和人,缓解街道交通拥堵。在未来,研究人员还设想自动驾驶船也能在夜间执行城市服务,而不是在繁忙的白天进行,进一步缓解道路和运河的拥堵状况。

“想象一下,通常在白天进行的一些基础设施服务,如货运、垃圾管理、废物管理,改为半夜在水上使用一队自动化的船舶完成。”作为论文的共同作者,CSAIL主任、安德鲁和维纳比电气工程和计算机科学教授Daniela Rus在本周举行的IEEE机器人与自动化国际会议上如此描述该技术。

此外,船只配备传感器、微控制器、GPS模块和其他硬件,可以对长4米、宽2米的矩形船体进行编程,使它自组装成浮桥、音乐会舞台、食品市场平台等结构并保持几个小时。“通常在陆地上发生的一些会对城市的交通造成干扰的活动,可以暂时在水上进行。”Rus说。

船上还可以配备环境传感器,以监测城市的水域并观测城市和人类的健康状况。

更好的设计和控制

这一技术是“Roboat”项目的一部分,该项目是MIT Senseable City Lab和阿姆斯特丹高级城市解决方案研究所(AMS)的合作项目。在2016年,作为该项目的一部分,研究人员测试了一艘在城市运河上巡航的原型船,沿着预先设计的路径向前、向后和侧向前进。

为了制造这艘船,研究人员用商用打印机3D打印了一个矩形船体,生产了16个拼接在一起的独立部分。打印花了大约60个小时。然后通过粘合几层玻璃纤维将完成的船体密封,把电源、Wi-Fi天线、GPS以及小型计算机和微控制器集成到船体上。为了精确定位,研究人员还加入了室内超声波信标系统和户外实时动态GPS模块(允许厘米级定位)以及监测船的偏航和角速度的惯性测量单元(IMU)模块其他指标。

该船形状为矩形而不是传统的皮划艇或双体船形状,这样在组装其他结构时允许船只横向移动并将其自身附接到其他船只。另一种简单而有效的设计元素是推进器放置。四个推进器位于每侧的中心,而不是四个角落,产生前后力。研究人员说,这使得这艘船更加灵活和高效。

该团队还开发了一种方法,使船能够更快、更准确地跟踪其位置和方向。为此,他们开发了非线性模型预测控制(NMPC)算法的高效版本,这一算法通常用于在各种约束条件下控制和导航机器人。

NMPC和类似的算法已被用于控制自主艇。但通常这些算法仅在模拟中进行测试,或者不考虑船的动态。研究人员在算法中加入了简化的非线性数学模型,这些模型考虑了一些已知参数,例如船的阻力、离心力和科里奥利力以及水中加速或减速引起的质量增加。研究人员还使用了一种识别算法,该算法可以识别船只在路径上受到训练时的任何未知参数。

最后,研究人员使用了一个高效的预测控制平台来运行他们的算法,该算法可以快速确定即将发生的动作,算法的速度比类似的系统提高两个数量级。虽然其他算法在大约100毫秒内执行,但研究人员的算法只需要不到1毫秒。

测试水域

为了演示控制算法的功效,研究人员先后在游泳池和查尔斯河中沿预先规划的路径部署了一个较小的小船原型。在10次测试过程中,研究人员观察到在定位和定向上的平均跟踪误差小于传统控制算法的跟踪误差。

精确度的提高归功于船上的GPS和IMU模块,它们分别确定位置和方向,精确至厘米。NMPC算法对这些模块的数据进行处理,并衡量各种指标以指导船舶的工作。该算法在控制器计算机中实施并单独调节每个推力器,每0.2秒更新一次。

“控制员会考虑船的动态、船的当前状态、推力约束以及未来几秒的参考位置,以优化船只在道路上行驶的方式,”王伟说,“然后,我们可以找到推进器的最佳力量,可以将船推回到道路上并最大限度地减少错误。”

研究人员表示,设计和制造方面的创新以及更快和更精确的控制算法,都指向了用于运输,对接和自组装成平台的可行的自动驾驶船。

这项工作的下一步是开发适应性控制器,以解决运输人员和货物时船的质量和阻力的变化。研究人员还在对控制器进行改进,以应对波浪扰动和更强的水流。

“我们实际上发现查尔斯河的水流比阿姆斯特丹运河更复杂,”王伟说,“但在阿姆斯特丹会有很多船只四处移动,大型船会带来较大的涌流,所以仍然需要考虑这一点。”

注:王伟为工学院谢广明教授的2010级硕博连读生,博士论文工作主要研究自主智能仿生机器鱼,2016年博士毕业后到麻省理工学院做博士后。

 

编辑:山石

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