無人駕駛船問世可載人且自主規(guī)劃路徑和避障

你確定是汽車不是飛機(jī)嗎？

除了還未完全成熟的自動(dòng)駕駛技術(shù)，解決交通擁堵問題還有另外一種思路：立體化的出行方式。比如紅極一時(shí)的Uber飛行汽車，以及，馬斯克在地下挖洞搞得風(fēng)生水起的Boring公司 ——“用時(shí)速240公里的隧道客艙，送你到機(jī)場，只要1美元！”

所以天上地下都有了，是不是就差水上？荷蘭的阿姆斯特丹運(yùn)河使得該市被稱為“北方的威尼斯”，乘游船觀光也是體驗(yàn)這座城市的最佳途徑之一。

如果河上行駛的是無人船，你還敢上船嗎？

這就是麻省理工學(xué)院( MIT ) 計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能實(shí)驗(yàn)室 ( CSAIL ) 日前公布一個(gè)新項(xiàng)目，一艘能夠運(yùn)送乘客的自動(dòng)駕駛船。

研究人員還給這款船起了個(gè)有趣的諧音梗名字—— Roboat II。

Roboat II

Roboat是一個(gè)為期5年的研究項(xiàng)目，研究人員的初衷是希望通過這些自主駕駛船來改造阿姆斯特丹的運(yùn)河，比如可以用它來收集水上垃圾、運(yùn)送貨物或人員。

去年，CSAIL研發(fā)了第一代自動(dòng)駕駛船，這些船可以根據(jù)用途的不同自動(dòng)組裝成用于各種浮動(dòng)結(jié)構(gòu)。今年，CSAIL推出了第2代自動(dòng)駕駛船 ——Roboat II，這是一艘可以搭載乘客的船只。“Roboat II”比原版更大、更智能，能夠支持更多的重量。

這艘船只有2米長，可以搭載兩名乘客通過阿姆斯特丹的運(yùn)河。MIT稱之為“疫情友好型”，因?yàn)槌丝涂梢员３职踩纳缃痪嚯x。

這艘船共有四個(gè)推進(jìn)器，可以向任何方向進(jìn)行移動(dòng)，還裝備了激光雷達(dá)、GPS和慣性傳感器來幫助它導(dǎo)航。雖然單體船只很小，但是它依然是模塊化設(shè)計(jì)，這就意味著Roboat II可以由一艘領(lǐng)航船為主組裝成體積更大的船只。

MIT將最初的Roboat規(guī)格定為普通船只的四分之一大小，而Roboat II發(fā)展到一半大小，這表明它正在慢慢發(fā)展到可以搭載4名～6名乘客的全尺寸，據(jù)稱，這個(gè)更大的版本已經(jīng)在阿姆斯特丹建造中，但是尚不得知其測試時(shí)間。

在阿姆斯特丹運(yùn)河中，Roboat II自主導(dǎo)航了3個(gè)小時(shí)，收集數(shù)據(jù)返回了起始位置，誤差 0.17米。

未來，MIT的研究小組希望繼續(xù)改進(jìn)Roboat的算法，使其能夠更好地應(yīng)對(duì)船只可能遇到的挑戰(zhàn)，比如水流和海浪的干擾。研究小組也在努力使它更有能力識(shí)別和“理解”它遇到的物體，這樣Roboat就能更好地處理與周邊環(huán)境的關(guān)系。

無人船可以自發(fā)搭建起一座浮橋，又不會(huì)給航運(yùn)帶來太大影響，這在未來將是智慧城市的一部分

MIT研究人員解釋開發(fā)這種船的幾個(gè)原因。首先，這個(gè)項(xiàng)目背后的團(tuán)隊(duì)肩負(fù)著為荷蘭阿姆斯特丹市打造“世界上第一支”自主船隊(duì)的任務(wù)，所以Roboat II的開發(fā)是這個(gè)義務(wù)的一部分。同時(shí)，Roboat II也可以在全球其他城市發(fā)揮巨大的作用，只要它們有運(yùn)河或水道。像這樣的小型自主船只可以舀起垃圾，運(yùn)送包裹，甚至作為自動(dòng)駕駛的水上出租車，將人們從一個(gè)地方運(yùn)送到另一個(gè)地方。

MIT教授Daniela Rus表示，我們正在開發(fā)可以運(yùn)送人員和貨物的Roboat船隊(duì)，并與其他Roboat連接，形成一系列自主平臺(tái)，編組成浮式平臺(tái)，例如浮橋、 舞臺(tái)、更大型的運(yùn)輸平臺(tái)等等，以幫助緩解城市繁忙街道的擁堵狀況。

北大畢業(yè)博士為論文第一作者

目前，有關(guān)Roboat II的這篇研究已經(jīng)在國際智能機(jī)器人與系統(tǒng)會(huì)議上展示，值得一提的是，這篇 最新論文的一作王偉是來自北大的一名博士畢業(yè)生。博士論文主要研究自主智能仿生機(jī)器人魚。

對(duì)Roboat的未來暢想

2016年畢業(yè)后，王偉進(jìn)入MIT進(jìn)行博士后研究。現(xiàn)在，王偉是MIT Senseab le City 實(shí)驗(yàn)室和CSAIL的高級(jí)博士后，也是MIT城市研究及規(guī)劃學(xué)系的研究人員。

船體之間無需通信，自主規(guī)劃路徑并且免碰撞

Roboat II看上去像是幾個(gè)相連的矩形塊打造的“拼圖”。長方形的船體包裹著傳感器、推進(jìn)器、微控制器、攝像機(jī)和其他硬件。船體之間無需通信，跟隨者可預(yù)估領(lǐng)隊(duì)意圖并調(diào)整自己移動(dòng)軌跡。

通過運(yùn)行SLAM算法，利用激光雷達(dá)和GPS傳感器，以及用于定位、姿態(tài)和速度的慣性測量單元，船只可以進(jìn)行自我定位。控制器跟蹤來自規(guī)劃器的參考軌跡，規(guī)劃器更新其路徑以避開檢測到的障礙。

"手拉手排排走"的 Roboat

在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，早起的想法是將一輛人類駕駛的領(lǐng)頭車放在一串機(jī)器人車的前面。這就是所謂的列隊(duì)行駛，看起來就像一只母鵝帶領(lǐng)著一群小鵝。

這種“隨領(lǐng)頭羊”的游戲也可以應(yīng)用到水上交通，傳統(tǒng)的列隊(duì)行駛，為了獲得準(zhǔn)確的感知，需要在系統(tǒng)種每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上都設(shè)置傳感器。

而船只可以很容易接觸和串聯(lián)移動(dòng)，所以可以有比車隊(duì)串聯(lián)更復(fù)雜的安排。有了這種領(lǐng)頭追隨的體系，就不必了每一個(gè)船上都設(shè)置傳感器了。

通常每個(gè)Roboat上運(yùn)行的分布式控制器需要連接結(jié)構(gòu)的速度信息 ( 以結(jié)構(gòu)中心的速度表示 ) ，但Roboat II知道自己相對(duì)于結(jié)構(gòu)中心的位置。也就是說，Roboat II的算法不需要相對(duì)位置，每個(gè)Roboat II使用自己的速度，而不是結(jié)構(gòu)中心的速度。

當(dāng)領(lǐng)隊(duì)Roboat II開始向給定的目的地移動(dòng)時(shí)，另一個(gè)Roboat II可以估計(jì)領(lǐng)隊(duì)的意圖并調(diào)整自己的移動(dòng)軌跡。領(lǐng)隊(duì)船還可以通過調(diào)整輸入來引導(dǎo)Roboat II的其余部分，而不需要兩艘船之間進(jìn)行任何通信。

研究人員計(jì)劃在未來使用人工智能來估計(jì)Roboat的關(guān)鍵參數(shù)。他們還打算探索自適應(yīng)控制器，當(dāng)物體被放置在船上時(shí)，允許結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，船可以以各種方式“變形”成有用的結(jié)構(gòu)，就像一個(gè)在河面或者湖泊上的組合積木，自動(dòng)充電也是可能的。船只可以自己插上電源，就像有自動(dòng)充電功能的掃地機(jī)器人一樣。

阿姆斯特丹高級(jí)都市解決方案研究所正在建造一個(gè)4米的全尺寸模型，用于在阿姆斯特丹的運(yùn)河中進(jìn)行測試。

完全自動(dòng)化是最終的目標(biāo)，該團(tuán)隊(duì)對(duì)Roboat的未來想象是，白天路面上的基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)輸服務(wù)，到了半夜，可以在水路上繼續(xù)運(yùn)作，比如物流、垃圾管理、廢物管理等等。一個(gè)很有趣的例子 —— 荷蘭每年有1.2萬輛自行車“死于”河道中，Roboat就可以在這方面發(fā)揮作用。

王偉表示，還希望最終將該技術(shù)應(yīng)用在其他船上實(shí)施，讓船只普遍具有自主性。

Roboat項(xiàng)目已持續(xù)5年，未來可期

MIT團(tuán)隊(duì)的無人駕駛船只研究已有5年歷史。

2016年，該項(xiàng)目的第一款作品Roboat問世，根據(jù)預(yù)寫的路線，它已經(jīng)可以在阿姆斯特丹的運(yùn)河道里行駛。當(dāng)時(shí)其原型也在運(yùn)河上進(jìn)行了簡單的測試。

到2018年5月，研究人員設(shè)計(jì)了更低成本的3D打印機(jī)器船，大小僅為之前版本的1/4，這些船只相比前代更為高效靈活，還配備了先進(jìn)的軌跡跟蹤算法。

2019年6月，團(tuán)隊(duì)再次研發(fā)了一種“自動(dòng)鎖定機(jī)制”，船只會(huì)瞄準(zhǔn)目標(biāo)、相互緊扣，一旦失敗還會(huì)繼續(xù)嘗試。

2020年，則是前文介紹的Roboat再次更新。

總的來說MIT的這個(gè)方案大大拓寬了未來無人船的商用化應(yīng)用領(lǐng)域，AI的目的就是讓人的生活更加省時(shí)省力。除了文中所描述的一些城市應(yīng)用場景外，在港口轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，采用這種可編組無人平臺(tái)，可以搭建臨時(shí)碼頭，提高碼頭的空間利用率，甚至通過合理的程序優(yōu)化，可以提升裝卸效率，現(xiàn)在有很多水路因?yàn)闃蛄焊叨认拗仆ê綏l件，或者在登陸戰(zhàn)的時(shí)候，我們可以采用這種智能化平臺(tái)扮演臨時(shí)碼頭的角色，協(xié)助轉(zhuǎn)運(yùn)等等。

總之相關(guān)應(yīng)用方向有很多值得發(fā)掘，人類只有不斷嘗試，才能知道未來是什么樣子的。