Da esq. para a dir., Rafael Angelis Cordeiro, Samuel Siqueira Bueno e Ely Carneiro de Paivae o veículo robótico: plataforma usada no estudo

Simulador transformaequações matemáticasem veículo robótico virtual

Ferramenta ajudará pesquisadores nodesenvolvimento

de tecnologias para componentes

autônomos

esquisadores da Unicamp estão desenvolvendo em laborató-rio a capacidade de um veículo

elétrico terrestre andar sozinho, como se escrevessem um novo “có-

digo 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 nor-mal 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 percep-ção autônoma de ameaças. Também po-dem 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-ro-bótico ficar pronto para testar essa habilida-

de 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 cál-culos complexos – no caso, por analogia, que formam o “DNA” dessa habilidade, as informações que permitem avaliar os com-portamentos esperados do veículo diante dos mais variados tipos de terreno.

Quando a ferramenta de simulação esti-ver pronta, ajudará pesquisadores no estudo de novas tecnologias para essa área da ro-bótica. “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 (Veícu-lo Robótico), uma iniciativa do Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer (CTI) para o desenvolvimento de um ve-ículo autônomo capaz de andar em terre-nos irregulares – onde há aclives, declives e condições de baixa aderência, por exem-plo. Na prática, a habilidade e a ferramen-ta em estudo na Unicamp serão integradas ao veículo elétrico adquirido por essa uni-dade 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 engenhei-ro Rafael Cordeiro, é preciso analisar as etapas de um projeto de veículo robô des-tinado a “todo terreno” – ou seja, que irá enfrentar os mais diversos tipos de obs-táculos. 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 materia-lizar o comportamento do robô. Quando em movimento, surgem forças que podem levar um veículo a escorregamentos (lon-gitudinais) ou derrapagens (laterais) das rodas e até mesmo à perda de aderência.

FERRAMENTAE 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 Ro-bótico Terrestre Exterior”. Assim, com o apoio do computador, projetistas podem escapar de problemas e imprevistos no de-senvolvimento, por exemplo, dos controla-dores 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, notada-mente em relação ao contato pneu-solo. Nesse estudo, é como se o projetista elabo-rasse, 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 es-tiver em funcionamento. Apesar de existi-rem 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 mui-to 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 pesquisa-dor 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 exem-plo, em um projeto de automação para a

como se escrevessem um novo “có-

Na tela do computador, é possível obser-var 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 pro-gramador 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 obser-var o veículo em movimento, como se o proje-tista olhasse o movimento de cima (e visse o circuito programado), de trás e de lado, acom-panhando 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 ader-ente, é possível ver o veículo derrapando e cor-rigindo automaticamente a rota para retornar ao trajeto inicialmente previsto.

Nos próximos dois meses, os parâmet-ros obtidos com o simulador e o modelo matemático criado no mestrado na Unicamp serão validados, ou seja, os resultados obti-dos com as simulações serão confrontados com os dados recolhidos em ensaios reais realizados com o veículo VERO – sensores desse robô irão captar informações du-rante 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

agricultura, ou para o desenvolvimento de novas ferramentas de auxílio à condução, capazes de alertar o motorista sobre o ris-co de situações que podem levar a derra-pagens e a acidentes no trânsito.

Os veículos robóticos em geral, como o do projeto Vero, podem ser classificados segundo o meio em que operam (suba-quáticos, aquáticos de superfície, terres-tres e aéreos) e forma de locomoção (ro-das, esteiras, patas, hélices etc) e o grau de atuação. Na modalidade mais simples de operação, podem ser guiados remota-mente, mas também podem vir a funcio-nar de modo autônomo. Traduzindo, o ve-ículo em questão é uma versão terrestre de “VANTs” (Veículos Aéreos Não-Tripu-lados) ou “UAVs” (do inglês, Unmanned Aerial Vehicle), também conhecidos como “drones”, que começaram a ser empre-gados no Brasil, recentemente, pela Polí-cia Federal e pela Força Aérea Brasileira, bastante conhecidos pelo emprego militar no Afeganistão e no Iraque. Voam ope-rados 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 apli-cação na área de segurança.

IMPORTÂNCIAEstratégias de controle e de seguimen-

to de trajetória de um veículo robô, como as que estão em estudo na Unicamp, cons-tituem a base para a concepção de navega-ção autônoma, como destacam os autores da pesquisa em um artigo sobre o traba-lho. As possibilidades de aplicação desse tipo de tecnologia são várias e estratégi-cas para o país, conforme prospecção de oportunidades científico-tecnológicas rea-lizada pelo CTI Renato Archer e pelo Mi-nistério da Ciência, Tecnologia e Inovação. Além de financiamento do governo federal (MCTI), as pesquisas em torno do projeto Vero recebem recursos da Fapesp, do Con-selho Nacional de Desenvolvimento Cien-tífico e Tecnológico (CNPq) e do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Sis-temas Embarcados Críticos (INCT-SEC).

O Projeto Vero também conta com par-ceiros internacionais, como o Instituto Nacional Francês para a Pesquisa em Ci-ências Computacionais (INRIA) e a Uni-versidade de Tecnologia de Compiègne (UTC), na França, além do Instituto Su-perior Técnico (IST) de Lisboa, em Portu-gal. No caso da pesquisa realizada na Uni-camp, o mestrando estudou em Lisboa, sob a orientação do professor José Azi-nheira (IST), onde aprofundou as formu-lações iniciais, realizadas em Portugasl, sobre modelagem e controle de trajetória de um veículo robótico terrestre.

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). Ade-mais, guardadas as devidas diferenças, o veí-culo constitui opção para o desenvolvimento e experimentação voltadas a outras configura-ções de veículos terrestres, ou mesmo outras modalidades – como veículos aéreos, por ex-emplo, 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 ter-restre de exterior”, publicado em 2009.

Ensaio irá validardados de computador

PublicaçãoDissertação: “Modelagem e con-trole de trajetória de um veículo robótico terrestre de exterior”Autor: Rafael de Angelis Cordeiro Orientador: Ely Carneiro de Paiva Unidade: Faculdade de Engenha-ria Mecânica (FEM)Financiamento: Fapesp

ALESSANDRO SILVAalessandro.silva@reitoria.unicamp.br

Foto: Antonio Scarpinetti

Fabricante: Freedom Veículos Elétricos LtdaDimensões: 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-amortecedorRodas: Aro 0,72, com pneus todo-terrenoMotorização: dois motores elétricos de corrente contínua, atuando independente-mente nas rodas traseirasAlimentação: 4 baterias tracionárias de 6V e 210AVelocidade máxima: 12 km/hCarga útil: 200kg

VERO

Campinas, 17 a 23 de junho de 2013 3