机器人船和毒品潜艇
工程学教授和学生正在开发自动驾驶船只，以寻找毒贩
09.28.2017作者：David Levin德文·哈恩的视频最初发表于《今日波士顿大学》
2016年，美国缉毒人员在加州海岸拦截了一艘奇怪的船只：一艘自制的玻璃纤维潜艇。在这艘小船里，装满了12800磅可卡因，价值超过1.93亿美元。自20世纪90年代初以来，至少有60艘这样的贩毒潜艇被抓获。它们是复杂的装置，有多名船员和GPS导航，它们的唯一目的是将大量可卡因、海洛因和其他非法毒品偷运到这个国家。他们非常擅长自己的工作。
工程学院机械工程和材料科学与工程副教授格雷格·麦克丹尼尔（Greg McDaniel）说：“可能还有数百艘这样的潜艇，但从统计数据来看，只有少数潜艇会被捕获。”“它们很难被发现。”
Greg McDaniel（左）在Noah Bernays （ENG ' 18）用笔记本电脑记录数据时，从Charles River泻湖中拉出一架自主机器人无人机。Jackie Ricciardi摄
麦克丹尼尔正试图提高这一几率。在美国海军海洋系统司令部35.5万美元的资助下，他和一个由澳门威尼斯人注册网站研究生和本科生组成的澳门威尼斯人注册网站研究团队正在开发新的航海机器人，这些机器人可以一起巡逻大片区域，并协同寻找水下威胁。
他说，目前，美国特工探测毒品潜艇的主要手段是通过拖曳声纳阵列，这实际上是一种覆盖着水下麦克风的长电缆，拖在船后面。它们在监听可能的目标方面做得不错，但只能在相对较深的水域中使用，而且只能探测到有限范围内的声音。在某些情况下，也可以使用称为蓝鳍的复杂水下机器人来监听目标，但即使是这些复杂的机器也有其局限性。虽然它们比水面舰艇灵活得多，但它们只能探测到几英里内的目标，而且在水下时很难将它们的发现传达给操作员。
麦克丹尼尔正在建造一群小型的水面居住无人机，而不是拖曳电缆或水下机器人。这些机器将在一片开阔的海洋中独立航行，倾听可疑的声音。如果一架无人机听到噪音，它可以提醒其他机器人，并邀请它们共同瞄准目标。这有助于更可靠地探测毒品潜艇和其他小型水下威胁——这使得这个概念对美国海军特别有吸引力。
位于罗德岛州纽波特的海军水下作战中心海军工程教育联盟主任伊丽莎白·马格柳拉说：“海洋被噪音所控制，这些噪音随位置、深度、频率和时间的变化而强烈变化。在这种噪音存在的情况下，发现和跟踪目标可能会被一群协作传感器大大增强。”这项澳门威尼斯人注册网站研究将为海军正在开发的用于海底分布式网络系统的新兴和地平线自动驾驶车辆、监测站和监视网络带来战术价值。”
冲浪板和水泵
在一个没有窗户的实验室里，麦克丹尼尔和从事该项目的机械工程专业学生诺亚·伯内斯（Noah Bernays， 18年级）展示了他们的原型。它们的技术含量低得惊人，完全由现成的部件制成：每个船体只不过是一块泡沫冲浪板，上面绑着一个防水塑料盒，两侧有一对橡胶软管。每个机器人的“推进系统”都是一对商用水泵，通过借用灭火器的喷嘴向后喷水。商店里买的水听器，一种水下麦克风，悬挂在下面的电缆上。无人机的电子控制系统被密封在一个塑料盒子里，里面有一块用于业余电子设备的小电脑板，它可以处理声音，并挑选出可疑的模式。总的来说，每个机器人的制造成本不到1000美元。
麦克丹尼尔说：“我们在开发初期的理念是：不要重复发明轮子。“有一种简单的方法，也有一种定制的方法。挑战在于找到简单的方法。”
伯内斯补充道：“由于这个项目是现成的，我们必须在如何把东西连接起来方面有点创意。”“你必须想出正确的问题来连接两个随机的硬件或软件。但通常情况下，经过几天的参数调整，或者交换一些硬件，或者只是改变一行代码，它就能工作了。”
每艘“船”都完全由现成的部件制成，为麦克丹尼尔的团队正在开发的代码提供了一个廉价的测试平台。Jackie Ricciardi摄
麦克丹尼尔说，无人机的硬件不是它们的卖点。相反，他的团队真正的工作在于构建和测试控制它们的代码，这样它们就可以嗅出海洋中的可疑声音，并共同努力对它们的来源进行三角测量。
“我们真的在探索来自控制和信号处理社区的想法，”他说。“这才是真正的澳门威尼斯人注册网站研究兴趣所在。我们如何处理所有传入的声学数据？我们如何压缩和分享它？然后，我们如何独立移动每艘船，以获得更好的数据，帮助它们绘制区域地图或找到并跟踪目标？”
群体智慧
麦克丹尼尔说，通过坚持使用现成的部件，他的团队成员能够集中精力创建有效的导航和声音检测算法。目前，他们正在开发一种软件，可以让无人机识别周围的声音，比如大型船只或水下机械，这些声音可能会干扰它们听到小型潜艇发出的声音。一旦一架无人机弄清楚这些响亮的声音在哪里，该团队的算法就会让它立即将这些信息发送给其他无人机，这样它们也可以屏蔽这些声音。
麦克丹尼尔说，这种快速的交流可能是这些机器人成功的关键。由于这些设备本身仍在地面，因此它们有可能通过Wi-Fi无线电信号在空中发送数据。水下交通工具没有这种奢侈。无线电信号被水吸收得很快，所以在水面下的任何通信都必须像老式电话调制解调器一样通过声音发送。由此产生的信号缓慢而嘈杂，可能会淹没玻璃纤维潜艇发出的安静得多的声音。
使用Wi-Fi还有另一个优势。由于每架无人机都有自己的发射器和接收器，蜂群能够通过形成一个巨大的网状网络来扩大其搜索范围。就像你客厅里的路由器一样，每个路由器都是网络中的一个集线器，将信号传递给它的同伴。因此，机器人可以分散在广阔的区域，但仍然保持联系的每一个成员的群体，无论该群体的大小。麦克丹尼尔说，这对它们的合作能力至关重要，通过合作，它们可以智能地巡逻大片海域——可能长达数英里。
“当它们被随机放置时，其中一艘听到了什么，它就会说，‘嘿，我在这里，过来看看’，然后邀请其他船只包围目标。然后，他们可以一起尝试识别它，并判断它是否需要遵循，”他说。
麦克丹尼尔希望海军可以利用他的概念设计出比他的低成本冲浪板先进得多的硬件。他说，有了正确的算法，他的团队在群体智能和信号处理方面的工作可能有一天会在推出强大的工具方面发挥作用，以保护国家的海岸线、港口和港口——不仅免受非法毒品的侵害，而且还能抵御更潜在的威胁。
他说：“如果你能把6吨可卡因运到美国的海滩上，你就能把6吨任何东西运到美国，包括大规模杀伤性武器。”“最终，这项工作是为了保护人们的生命。”