El futuro del transporte en ciudades ricas en vías navegables como Ámsterdam, Bangkok, y Venecia, donde los canales corren a lo largo y bajo las bulliciosas calles y puentes, pueden incluir barcos autónomos que transportan mercancías y personas, ayudando a despejar la congestión de la carretera.

Investigadores del Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial del MIT (CSAIL) y del Senseable City Lab en el Departamento de Estudios Urbanos y Planificación (DUSP), han dado un paso hacia ese futuro al diseñar una flota de embarcaciones autónomas que ofrecen una alta maniobrabilidad y un control preciso. Los barcos también se pueden imprimir rápidamente en 3D utilizando una impresora de bajo costo, haciendo más factible la fabricación en masa.

Los botes podrían usarse para transportar personas y entregar mercancías, aliviar el tráfico de la calle. En el futuro, los investigadores también prevén que los barcos sin conductor se adapten para realizar servicios urbanos durante la noche, en lugar de durante las horas de mayor afluencia de luz, reducir aún más la congestión en carreteras y canales.

"Imagínese cambiar algunos de los servicios de infraestructura que suelen tener lugar durante el día en la carretera:entregas, manejo de basura, gestión de residuos:hasta la mitad de la noche, en el agua, utilizando una flota de barcos autónomos, "dice la directora de CSAIL, Daniela Rus, coautor de un artículo que describe la tecnología que se presentará en la Conferencia Internacional IEEE sobre Robótica y Automatización de esta semana.

Es más, los barcos:cascos rectangulares de 4 por 2 metros equipados con sensores, microcontroladores, Módulos GPS, y otro hardware, podría programarse para autoensamblarse en puentes flotantes, escenarios de conciertos, plataformas para mercados alimentarios, y otras estructuras en cuestión de horas. "De nuevo, algunas de las actividades que suelen tener lugar en tierra, y que provocan disturbios en la forma en que se mueve la ciudad, se puede hacer de forma temporal en el agua, "dice Rus, quien es el Profesor Andrew y Erna Viterbi de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación.

Los barcos también podrían estar equipados con sensores ambientales para monitorear las aguas de una ciudad y obtener información sobre la salud urbana y humana.

Los coautores del artículo son:primer autor Wei Wang, un postdoctorado conjunto en CSAIL y el Senseable City Lab; Luis A. Mateos y Shinkyu Park, ambos postdoctorados DUSP; Pietro Leoni, un becario de investigación, y Fábio Duarte, un científico investigador, tanto en DUSP como en Senseable City Lab; Banti Gheneti, estudiante de posgrado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática; y Carlo Ratti, investigador principal y profesor de la práctica en el DUSP y director del MIT Senseable City Lab.

Mejor diseño y control

El trabajo se realizó como parte del proyecto "Roboat", una colaboración entre el MIT Senseable City Lab y el Instituto de Ámsterdam para Soluciones Metropolitanas Avanzadas (AMS). En 2016, como parte del proyecto, los investigadores probaron un prototipo que recorría los canales de la ciudad, avanzando, hacia atrás, y lateralmente a lo largo de un camino preprogramado.

El documento ICRA detalla varias innovaciones importantes:una técnica de fabricación rápida, un diseño más eficiente y ágil, y algoritmos avanzados de seguimiento de trayectoria que mejoran el control, acoplamiento y enclavamiento de precisión, y otras tareas.

Para hacer los barcos, los investigadores imprimieron en 3D un casco rectangular con una impresora comercial, produciendo 16 secciones separadas que se empalmaron juntas. La impresión tomó alrededor de 60 horas. A continuación, se selló el casco completo adhiriendo varias capas de fibra de vidrio.

Integrado en el casco hay una fuente de alimentación, Antena Wi-Fi, GPS, y un miniordenador y microcontrolador. Para un posicionamiento preciso, los investigadores incorporaron un sistema de baliza de ultrasonido para interiores y módulos GPS cinemáticos en tiempo real para exteriores, que permiten la localización a nivel de centímetros, así como un módulo de unidad de medida inercial (IMU) que monitorea la guiñada y la velocidad angular de la embarcación, entre otras métricas.

El barco tiene forma rectangular, en lugar de las formas tradicionales de kayak o catamarán, para permitir que la embarcación se mueva hacia los lados y se adhiera a otras embarcaciones al ensamblar otras estructuras. Otro elemento de diseño simple pero efectivo fue la colocación de propulsores. Cuatro propulsores se colocan en el centro de cada lado, en lugar de en las cuatro esquinas, generando fuerzas hacia adelante y hacia atrás. Esto hace que el barco sea más ágil y eficiente, dicen los investigadores.

El equipo también desarrolló un método que permite al barco rastrear su posición y orientación de manera más rápida y precisa. Para hacerlo desarrollaron una versión eficiente de un algoritmo de control predictivo de modelo no lineal (NMPC), generalmente se usa para controlar y navegar robots dentro de varias restricciones.

El NMPC y algoritmos similares se han utilizado antes para controlar embarcaciones autónomas. Pero, por lo general, esos algoritmos se prueban solo en simulación o no tienen en cuenta la dinámica del barco. En cambio, los investigadores incorporaron en el algoritmo modelos matemáticos no lineales simplificados que dan cuenta de algunos parámetros conocidos, como el arrastre del barco, fuerzas centrífugas y de Coriolis, y masa añadida debido a la aceleración o desaceleración en el agua. Los investigadores también utilizaron un algoritmo de identificación que luego identifica cualquier parámetro desconocido a medida que el barco se entrena en una ruta.

Finalmente, los investigadores utilizaron una plataforma de control predictivo eficiente para ejecutar su algoritmo, que puede determinar rápidamente las próximas acciones y aumenta la velocidad del algoritmo en dos órdenes de magnitud en sistemas similares. Mientras que otros algoritmos se ejecutan en unos 100 milisegundos, el algoritmo de los investigadores tarda menos de 1 milisegundo.

Probando las aguas

Para demostrar la eficacia del algoritmo de control, los investigadores desplegaron un prototipo más pequeño del barco a lo largo de caminos planificados previamente en una piscina y en el río Charles. En el transcurso de 10 ejecuciones de prueba, los investigadores observaron errores de seguimiento promedio, en posicionamiento y orientación, más pequeños que los errores de seguimiento de los algoritmos de control tradicionales.

Esa precisión es gracias en parte, a los módulos de GPS e IMU a bordo del barco, que determinan la posición y la dirección, respectivamente, hasta el centímetro. El algoritmo NMPC procesa los datos de esos módulos y sopesa varias métricas para hacer que el barco sea verdadero. El algoritmo se implementa en una computadora controladora y regula cada propulsor individualmente, actualizándose cada 0,2 segundos.

"El controlador considera la dinámica del barco, estado actual del barco, restricciones de empuje, y posición de referencia para los próximos segundos, para optimizar la conducción del barco en la ruta, ", Dice Wang." Entonces podemos encontrar la fuerza óptima para los propulsores que pueden llevar el barco de regreso a la ruta y minimizar los errores ".

Las innovaciones en diseño y fabricación, así como algoritmos de control más rápidos y precisos, apuntar hacia botes sin conductor viables utilizados para el transporte, unión cósmica, y autoensamblado en plataformas, dicen los investigadores.

Un siguiente paso para el trabajo es desarrollar controladores adaptativos para tener en cuenta los cambios en la masa y el arrastre del barco cuando se transportan personas y mercancías. Los investigadores también están refinando el controlador para tener en cuenta las perturbaciones de las olas y las corrientes más fuertes.

"De hecho, descubrimos que el río Charles tiene mucha más corriente que en los canales de Ámsterdam, "Dice Wang." Pero habrá muchos barcos moviéndose, y grandes barcos traerán grandes corrientes, así que todavía tenemos que considerar esto ".