L'avenir des transports dans les villes riches en voies navigables comme Amsterdam, Bangkok, et Venise - où les canaux longent et sous les rues et les ponts animés - peuvent inclure des bateaux autonomes qui transportent des marchandises et des personnes, aider à désengorger les routes.

Des chercheurs du Laboratoire d'informatique et d'intelligence artificielle (CSAIL) du MIT et du Senseable City Lab du Département d'études et d'urbanisme (DUSP), ont fait un pas vers cet avenir en concevant une flotte de bateaux autonomes offrant une grande maniabilité et un contrôle précis. Les bateaux peuvent également être rapidement imprimés en 3D à l'aide d'une imprimante à faible coût, rendre la fabrication de masse plus réalisable.

Les bateaux pouvaient être utilisés pour faire circuler les gens et livrer des marchandises, faciliter la circulation dans la rue. À l'avenir, les chercheurs envisagent également que les bateaux sans conducteur soient adaptés pour effectuer des services de la ville pendant la nuit, au lieu de pendant les heures de jour chargées, réduire davantage la congestion sur les routes et les canaux.

« Imaginez le déplacement de certains services d'infrastructure qui ont généralement lieu pendant la journée sur la route :les livraisons, gestion des ordures ménagères, gestion des déchets - jusqu'au milieu de la nuit, sur l'eau, en utilisant une flotte de bateaux autonomes, " déclare Daniela Rus, directrice du CSAIL, co-auteur d'un article décrivant la technologie présentée lors de la conférence internationale IEEE de cette semaine sur la robotique et l'automatisation.

De plus, les bateaux - coques rectangulaires de 4 mètres sur 2 équipées de capteurs, microcontrôleurs, modules GPS, et d'autres matériels - pourraient être programmés pour s'auto-assembler en ponts flottants, scènes de concerts, plateformes pour les marchés alimentaires, et d'autres structures en quelques heures. "De nouveau, certaines des activités qui se déroulent habituellement sur terre, et qui perturbent le mouvement de la ville, peut se faire de façon temporaire sur l'eau, " dit Rus, qui est le professeur Andrew et Erna Viterbi de génie électrique et d'informatique.

Les bateaux pourraient également être équipés de capteurs environnementaux pour surveiller les eaux d'une ville et mieux comprendre la santé urbaine et humaine.

Les co-auteurs de l'article sont :le premier auteur Wei Wang, un post-doctorat conjoint au CSAIL et au Senseable City Lab; Luis A. Mateos et le parc Shinkyu, les deux post-doctorants DUSP; Pietro Léoni, un chercheur associé, et Fabio Duarte, un chercheur scientifique, à la fois dans DUSP et le Senseable City Lab; Banti Ghenéti, un étudiant diplômé du Département de génie électrique et d'informatique; et Carlo Ratti, chercheur principal et professeur de pratique au DUSP et directeur du MIT Senseable City Lab.

Meilleure conception et contrôle

Les travaux ont été réalisés dans le cadre du projet "Roboat", une collaboration entre le MIT Senseable City Lab et l'Amsterdam Institute for Advanced Metropolitan Solutions (AMS). En 2016, dans le cadre du projet, les chercheurs ont testé un prototype qui a navigué autour des canaux de la ville, avancer, en arrière, et latéralement le long d'un chemin préprogrammé.

L'article de l'ICRA détaille plusieurs innovations importantes :une technique de fabrication rapide, une conception plus efficace et agile, et des algorithmes avancés de suivi de trajectoire qui améliorent le contrôle, amarrage et verrouillage de précision, et d'autres tâches.

Pour faire les bateaux, les chercheurs ont imprimé en 3D une coque rectangulaire avec une imprimante commerciale, produisant 16 sections distinctes qui ont été épissés ensemble. L'impression a duré environ 60 heures. La coque terminée a ensuite été scellée en collant plusieurs couches de fibre de verre.

Une alimentation électrique est intégrée à la coque, Antenne Wi-Fi, GPS, et un mini-ordinateur et un microcontrôleur. Pour un positionnement précis, les chercheurs ont incorporé un système de balise à ultrasons intérieur et des modules GPS cinématiques extérieurs en temps réel, qui permettent une localisation centimétrique, ainsi qu'un module de centrale inertielle (IMU) qui surveille le lacet et la vitesse angulaire du bateau, entre autres métriques.

Le bateau est de forme rectangulaire, au lieu des formes traditionnelles de kayak ou de catamaran, pour permettre au navire de se déplacer latéralement et de s'attacher à d'autres bateaux lors de l'assemblage d'autres structures. Un autre élément de conception simple mais efficace était le placement du propulseur. Quatre propulseurs sont positionnés au centre de chaque côté, au lieu des quatre coins, générer des forces en avant et en arrière. Cela rend le bateau plus agile et efficace, disent les chercheurs.

L'équipe a également développé une méthode qui permet au bateau de suivre sa position et son orientation plus rapidement et avec plus de précision. Faire cela, ils ont développé une version efficace d'un algorithme de contrôle prédictif de modèle non linéaire (NMPC), généralement utilisé pour contrôler et diriger des robots dans diverses contraintes.

Le NMPC et des algorithmes similaires ont déjà été utilisés pour contrôler des bateaux autonomes. Mais généralement, ces algorithmes ne sont testés qu'en simulation ou ne tiennent pas compte de la dynamique du bateau. Les chercheurs ont plutôt incorporé dans l'algorithme des modèles mathématiques non linéaires simplifiés qui tiennent compte de quelques paramètres connus, comme la traînée du bateau, forces centrifuges et de Coriolis, et masse ajoutée due à l'accélération ou à la décélération dans l'eau. Les chercheurs ont également utilisé un algorithme d'identification qui identifie ensuite tous les paramètres inconnus lorsque le bateau est entraîné sur un chemin.

Finalement, les chercheurs ont utilisé une plate-forme de contrôle prédictif efficace pour exécuter leur algorithme, qui peut déterminer rapidement les actions à venir et augmente la vitesse de l'algorithme de deux ordres de grandeur par rapport à des systèmes similaires. Alors que d'autres algorithmes s'exécutent en 100 millisecondes environ, l'algorithme des chercheurs prend moins de 1 milliseconde.

Tester les eaux

Pour démontrer l'efficacité de l'algorithme de contrôle, les chercheurs ont déployé un prototype plus petit du bateau le long de chemins préétablis dans une piscine et dans la rivière Charles. Au cours de 10 tests, les chercheurs ont observé des erreurs de suivi moyennes - dans le positionnement et l'orientation - plus petites que les erreurs de suivi des algorithmes de contrôle traditionnels.

Cette précision est grâce, en partie, aux modules GPS et IMU embarqués du bateau, qui déterminent la position et la direction, respectivement, jusqu'au centimètre. L'algorithme NMPC analyse les données de ces modules et pèse diverses mesures pour diriger le bateau avec précision. L'algorithme est implémenté dans un calculateur contrôleur et régule chaque propulseur individuellement, mise à jour toutes les 0,2 secondes.

"Le contrôleur prend en compte la dynamique du bateau, état actuel du bateau, contraintes de poussée, et position de référence pour les prochaines secondes, optimiser la conduite du bateau sur le chemin, ", dit Wang. "Nous pouvons alors trouver une force optimale pour les propulseurs qui peuvent ramener le bateau sur la trajectoire et minimiser les erreurs."

Les innovations dans la conception et la fabrication, ainsi que des algorithmes de contrôle plus rapides et plus précis, indiquer des bateaux sans conducteur réalisables utilisés pour le transport, amarrage, et s'auto-assemblant en plates-formes, disent les chercheurs.

Une prochaine étape du travail consiste à développer des contrôleurs adaptatifs pour tenir compte des changements de masse et de traînée du bateau lors du transport de personnes et de marchandises. Les chercheurs affinent également le contrôleur pour tenir compte des perturbations des vagues et des courants plus forts.

"En fait, nous avons constaté que la rivière Charles a beaucoup plus de courant que dans les canaux d'Amsterdam, " dit Wang. " Mais il y aura beaucoup de bateaux qui se déplaceront, et les grands bateaux apporteront de grands courants, donc nous devons encore considérer cela. »