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Jornal da Unicamp online

Simulador transforma equações matemáticas em veículo robótico virtual

Publicado em 17 junho 2013

Por Alessandro Silva

Pesquisadores da Unicamp estão desenvolvendo em laboratório a capacidade de um veículo elétrico terrestre andar sozinho, como se escrevessem um novo “código genético”, apoiado em matemática e leis da física, para um novo robô que irá “nascer”. Essa habilidade permitirá que, um dia, uma máquina possa deslocar-se, sem auxílio humano, em um terreno normal ou acidentado antevendo eventuais riscos de derrapagens, quedas e obstáculos em sua rota, como se tivesse um senso de direção e equilíbrio, além de uma percepção autônoma de ameaças. Também podem sair desses estudos novas ferramentas para evitar que motoristas envolvam-se em acidentes, uma aplicação conhecida como “auxílio à condução”.

Mas não é preciso esperar o veículo-robótico ficar pronto para testar essa habilidade de andar sozinho, graças a um simulador e a um modelo matemático desenvolvidos no mestrado da Faculdade de Engenharia Mecânica (FEM), que permitem verificar a reação dessa máquina no computador por meio do processamento de centenas de cálculos complexos – no caso, por analogia, que formam o “DNA” dessa habilidade, as informações que permitem avaliar os comportamentos esperados do veículo diante dos mais variados tipos de terreno.

Quando a ferramenta de simulação estiver pronta, ajudará pesquisadores no estudo de novas tecnologias para essa área da robótica. “O ambiente do simulador é usado pelo projetista para o desenvolvimento de controladores de veículos-robôs”, explica o professor Ely Carneiro de Paiva, docente do Departamento de Projeto Mecânico da FEM, orientador da pesquisa realizada pelo engenheiro de controle e automação Rafael de Angelis Cordeiro, com financiamento da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp).

O “simulador de veículo terrestre” foi criado no contexto do Projeto Vero (Veículo Robótico), uma iniciativa do Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer (CTI) para o desenvolvimento de um veículo autônomo capaz de andar em terrenos irregulares – onde há aclives, declives e condições de baixa aderência, por exemplo. Na prática, a habilidade e a ferramenta em estudo na Unicamp serão integradas ao veículo elétrico adquirido por essa unidade de pesquisa do Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI), para servir como um grande laboratório de pesquisas das mais diversas sobre robótica no país.

Para entender o trabalho do engenheiro Rafael Cordeiro, é preciso analisar as etapas de um projeto de veículo robô destinado a “todo terreno” – ou seja, que irá enfrentar os mais diversos tipos de obstáculos. Primeiro, foi necessário recorrer a inúmeras variáveis matemáticas e a leis físicas para encontrar um modelo capaz de descrever o comportamento do veículo e chegar a um simulador capaz de materializar o comportamento do robô. Quando em movimento, surgem forças que podem levar um veículo a escorregamentos (longitudinais) ou derrapagens (laterais) das rodas e até mesmo à perda de aderência.

FERRAMENTA

E por que é necessário um simulador? “Não podemos desenvolver técnicas de controle de um veículo autônomo ou para auxílio à condução diretamente no veículo, porque é caro, arriscado”, afirma o autor da dissertação de mestrado “Modelagem e Controle de Trajetória de um Veículo Robótico Terrestre Exterior”. Assim, com o apoio do computador, projetistas podem escapar de problemas e imprevistos no desenvolvimento, por exemplo, dos controladores que irão guiar o veículo autônomo, a exemplo do que acontece na Unicamp.

Segundo os pesquisadores, a criação de um modelo dinâmico (matemático) para um veículo terrestre é complexa e envolve fenômenos de difícil mensuração, notadamente em relação ao contato pneu-solo. Nesse estudo, é como se o projetista elaborasse, com antecedência, todos os efeitos, forças e comportamentos que provocarão impactos no veículo robótico, levando em conta os mais diversos tipos de terreno aos quais ele será submetido quando estiver em funcionamento. Apesar de existirem simuladores hoje no mercado, todos guardam áreas sensíveis em segredo, o que dificulta o controle de toda tecnologia pelo pesquisador - por isso a importância do trabalho desenvolvido entre a Unicamp e pelo CTI Renato Archer. Além disso, certos parâmetros usados para analisar o comportamento do veículo-robô são muito bem guardados pelos fabricantes de componentes, como no caso dos pneus, explicam os envolvidos nesse estudo.

“O trabalho realizado pela Unicamp aborda a parte desafiadora para essa classe de veículo [todo terreno], que trafega em situação de aderência variável e em locais sujeitos à inclinação”, afirma o pesquisador Samuel Siqueira Bueno, da Divisão de Robótica e Visão Computacional do CTI Renato Archer. A questão central dessa pesquisa é caracterizar o comportamento do veículo e como controlá-lo, seja para que um trator ande sozinho, por exemplo, em um projeto de automação para a agricultura, ou para o desenvolvimento de novas ferramentas de auxílio à condução, capazes de alertar o motorista sobre o risco de situações que podem levar a derrapagens e a acidentes no trânsito.

Os veículos robóticos em geral, como o do projeto Vero, podem ser classificados segundo o meio em que operam (subaquáticos, aquáticos de superfície, terrestres e aéreos) e forma de locomoção (rodas, esteiras, patas, hélices etc) e o grau de atuação. Na modalidade mais simples de operação, podem ser guiados remotamente, mas também podem vir a funcionar de modo autônomo. Traduzindo, o veículo em questão é uma versão terrestre de “VANTs” (Veículos Aéreos Não-Tripulados) ou “UAVs” (do inglês, Unmanned Aerial Vehicle), também conhecidos como “drones”, que começaram a ser empregados no Brasil, recentemente, pela Polícia Federal e pela Força Aérea Brasileira, bastante conhecidos pelo emprego militar no Afeganistão e no Iraque. Voam operados de um ponto remoto e, no caso de perda de sinal, retornam sozinhos à base. VANTs também vêm sendo desenvolvidos por empresas nacionais visando aplicações agrícolas além das possibilidades de aplicação na área de segurança.

IMPORTÂNCIA

Estratégias de controle e de seguimento de trajetória de um veículo robô, como as que estão em estudo na Unicamp, constituem a base para a concepção de navegação autônoma, como destacam os autores da pesquisa em um artigo sobre o trabalho. As possibilidades de aplicação desse tipo de tecnologia são várias e estratégicas para o país, conforme prospecção de oportunidades científico-tecnológicas realizada pelo CTI Renato Archer e pelo Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação. Além de financiamento do governo federal (MCTI), as pesquisas em torno do projeto Vero recebem recursos da Fapesp, do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Sistemas Embarcados Críticos (INCT-SEC). O Projeto Vero também conta com parceiros internacionais, como o Instituto Nacional Francês para a Pesquisa em Ciências Computacionais (INRIA) e a Universidade de Tecnologia de Compiègne (UTC), na França, além do Instituto Superior Técnico (IST) de Lisboa, em Portugal. No caso da pesquisa realizada na Unicamp, o mestrando estudou em Lisboa, sob a orientação do professor José Azinheira (IST), onde aprofundou as formulações iniciais, realizadas em Portugasl, sobre modelagem e controle de trajetória de um veículo robótico terrestre.

Publicação
Dissertação: “Modelagem e controle de trajetória de um veículo robótico terrestre de exterior”
Autor: Rafael de Angelis Cordeiro 
Orientador: Ely Carneiro de Paiva 
Unidade: Faculdade de Engenharia Mecânica (FEM) 
Financiamento: Fapesp

Ensaio irá validar dados de computador

Na tela do computador, é possível observar a trajetória programada sendo percorrida pelo veículo robótico em desenvolvimento e acompanhar o desempenho dele, nas retas e nas curvas, de acordo com a aderência ao solo, conforme as variáveis lançadas pelo programador para analisar a habilidade de “andar sozinho”. Por enquanto, a interface com o usuário é simples, mas poderá ser aprimorada a exemplo de outros simuladores.

Os visualizadores atuais permitem observar o veículo em movimento, como se o projetista olhasse o movimento de cima (e visse o circuito programado), de trás e de lado, acompanhando as reações da máquina conforme o terreno programado – e as forças físicas que atuam no robô ao longo do percurso. Numa curva mais fechada, com terreno menos aderente, é possível ver o veículo derrapando e corrigindo automaticamente a rota para retornar ao trajeto inicialmente previsto.

Nos próximos dois meses, os parâmetros obtidos com o simulador e o modelo matemático criado no mestrado na Unicamp serão validados, ou seja, os resultados obtidos com as simulações serão confrontados com os dados recolhidos em ensaios reais realizados com o veículo VERO – sensores desse robô irão captar informações durante um percurso pré-selecionado, real, e o mesmo teste será realizado no simulador para verificar a exatidão oferecida pelos dois ensaios. Os testes finais serão realizados no Laboratório de Ensaios Dinâmicos (LabEDin) da Unicamp, sob a coordenação do professor Pablo Siqueira Meirelles, diretor associado da Faculdade de Engenharia Mecânica (FEM).

Para que um veículo robótico realize um trajeto de forma autônoma, os projetistas precisam assegurar que ele o fará de forma segura, sem risco de acidentes e de perda do equipamento. O veículo robótico elétrico do CTI Renato Archer, que será utilizado para os ensaios reais, recebeu o mesmo nome do projeto: Vero. A bordo dele, estão sensores que ajudarão a confirmar a capacidade de acerto do simulador e do modelo criado pela Unicamp.

“As características do veículo permitem seu uso experimental em contextos bastante realistas – seja, por exemplo, no âmbito de ambientes similares aos urbanos, seja no campo agrícola – mas de menor complexidade que no caso dos veículos finais (automóveis ou máquinas agrícolas de grande porte). Ademais, guardadas as devidas diferenças, o veículo constitui opção para o desenvolvimento e experimentação voltadas a outras configurações de veículos terrestres, ou mesmo outras modalidades – como veículos aéreos, por exemplo, dado que validações iniciais em veículo terrestre são muito mais simples e seguras”, escreveram pesquisadores que participam do Projeto Vero no artigo “Uma plataforma para pesquisa e desenvolvimento em robótica terrestre de exterior”, publicado em 2009.

VERO

Fabricante: Freedom Veículos Elétricos Ltda
Dimensões: 2,3 m de comprimento, 1,35 de largura e 1,5 m de altura (com barras de fixação para os sensores)
Suspensão: independente nas quatro rodas, com sistema mola-amortecedor
Rodas: Aro 0,72, com pneus todo-terreno
Motorização: dois motores elétricos de corrente contínua, atuando independentemente nas rodas traseiras
Alimentação: 4 baterias tracionárias de 6V e 210A
Velocidade máxima: 12 km/h
Carga útil: 200kg