Agencias / MonitorSur, Ciudad de México.- Estos barcos impresos en 3-D que están probando en el laboratorio CSAIL del MIT se han diseñado con varios objetivos en mente. Por un lado pueden servir como medio de transporte. Por otro pueden utilizarse a modo de flotilla que se autoensamble formando estructuras, tales como los mercados móviles que hay en algunas ciudades (Amsterdam, Bangkok, Venecia).

Los barcos a escala tienen una estructura muy simple y van propulsados por cuatro motores; a tamaño real medirían unos 4 metros de eslora. En el laboratorio han trabajado tanto en la forma guiarlos con cierta precisión (utilizando GPS y sensores inerciales) como en su diseño, de modo que encajen unos con otros y puedan formar estructuras.

Todo esto no son más que prototipos, pero la idea no deja de ser interesante. En las pruebas comprobaron que no es lo mismo navegar las corrientes del Río Charles que está junto al campus del MIT que los tranquilos canales de una ciudad como Amsterdam. Ahora una de sus mayores preocupaciones es precisamente comprobar qué pasa al fabricarlos a tamaño real y si se puede lidiar con esas fuerzas de forma práctica y sin errores de navegación.

El trabajo se realizó como parte del proyecto “Roboat“, una colaboración entre el MIT Senseable City Lab y el Instituto de Ámsterdam para Advanced Metropolitan Solutions (AMS). En 2016, como parte del proyecto, los investigadores probaron un prototipo que navegaba por los canales de la ciudad, avanzando, retrocediendo y lateralmente a lo largo de un camino preprogramado.

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

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

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

El bote es de forma rectangular, en lugar de las formas tradicionales de kayak o catamarán, para permitir que el buque se mueva hacia los lados y para unirse a otros barcos al ensamblar otras estructuras. Otro elemento de diseño simple pero eficaz fue la colocación del propulsor. Cuatro propulsores están posicionados en el centro de cada lado, en lugar de en las cuatro esquinas, generando fuerzas hacia delante y hacia atrás. Esto hace que el barco sea más ágil y eficiente, dicen los investigadores.

El equipo también desarrolló un método que permite que el bote rastree 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 utilizado para controlar y navegar robots dentro de varias restricciones.

El NMPC y algoritmos similares se han utilizado para controlar barcos autónomos antes. Pero típicamente esos algoritmos se prueban solo en simulación o no tienen en cuenta la dinámica del barco. En su lugar, los investigadores incorporaron en el algoritmo modelos matemáticos no lineales simplificados que explican algunos parámetros conocidos, como el arrastre del bote, las fuerzas centrífugas y de Coriolis, y la masa añadida debido a la aceleración o desaceleración en el agua. Los investigadores también usaron un algoritmo de identificación que identifica cualquier parámetro desconocido a medida que el barco se entrena en un camino.

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

Para demostrar la eficacia del algoritmo de control, los investigadores desplegaron un prototipo más pequeño del barco a lo largo de senderos previamente planificados en una piscina y en el río Charles. En el transcurso de 10 pruebas, 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 se debe, 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 pesa varias métricas para dirigir el barco. El algoritmo se implementa en una computadora controladora y regula cada impulsor individualmente, actualizando cada 0.2 segundos.

“El controlador considera la dinámica de la embarcación, el estado actual de la embarcación, las restricciones de empuje y la posición de referencia durante los próximos segundos, para optimizar la forma en que la embarcación conduce en la ruta”, dice Wang. “Entonces podemos encontrar la fuerza óptima para los propulsores que puede llevar al bote de regreso al camino y minimizar los errores”.

Las innovaciones en diseño y fabricación, así como algoritmos de control más rápidos y precisos, apuntan hacia embarcaciones sin conductor factibles utilizadas para el transporte, el acoplamiento y el autoensamblaje en plataformas, señalan los investigadores.

“Tener enjambres de robots en los canales de Amsterdam es una gran idea”, dice Javier Alonso-Mora, profesor asistente en el Departamento de Robótica Cognitiva de la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos, que no participó en la investigación. “Veinte por ciento de la superficie en los Países Bajos es agua, y los robots pueden ser un modo eficiente de transporte y logística. Este es un primer paso en esa dirección, con un prototipo muy agradable que puede moverse en todas las direcciones y conectarse con otros barcos para construir estructuras temporales. Junto con el equipo del MIT, ahora estamos estudiando los próximos pasos en materia de autonomía, incluida la coordinación multirobótica y la navegación urbana “.

El siguiente paso para el trabajo es desarrollar controladores adaptables para dar cuenta de los cambios en la masa y el arrastre del barco al transportar personas y bienes. Los investigadores también están perfeccionando 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 los grandes barcos traerán grandes corrientes, por lo que todavía tenemos que considerar esto”.

El trabajo fue apoyado por una subvención de AMS.