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Veículos autônomos já são uma realidade hoje, mas seu uso esbarra ainda nos altos custos dos equipamentos necessários à sua navegação. Os  sensores de precisão, que possibilitam a percepção do ambiente, são muito caros, e há grande empenho das comunidades científica e industrial no desenvolvimento de sistemas equivalentes de baixo custo para difundir o uso de robótica móvel.

Este tipo de veículo deve estar situado de maneira precisa no ambiente em que atuam, para permitir que tarefas como navegar em ambiente desconhecido ou seguir uma trajetória previamente estabelecida sejam viáveis. Assim, sua localização é essencial e particularmente crucial nos ambientes dinâmicos. Como se disse, há no mercado muitos sistemas de localização precisos, mas seus custos impõem a procura de soluções alternativas, como utilizar um sistema híbrido de localização que, através de um conjunto de sensores mais baratos, permita chegar a resultados igualmente confiáveis.

A isso se propôs a engenheira em multimídia Maria Fernanda Rodriguez Ruiz, graduada pela Universidade Militar Nova Granada, em Bogotá, Colômbia. Em sua dissertação, a pesquisadora se propôs a desenvolver um sistema de localização híbrida para ser utilizado na plataforma móvel terrestre VILMA - Veículo Inteligente do Laboratório de Mobilidade Autônoma, instalada em um Fiat Punto doado pela montadora.

A primeira parte do trabalho, orientado pelo professor Janito Vaqueiro Ferreira, do Laboratório de Mobilidade Autônoma (LMA)* da Faculdade de Engenharia Mecânica da Unicamp, e coorientado pelo professor Arthur de Miranda Neto, envolveu o desenvolvimento do sistema de localização híbrida. A segunda parte consistiu no desenvolvimento de uma plataforma de simulação computacional para realização dos testes de validação do sistema, permitindo ao mesmo tempo implementá-lo diretamente no veículo real, previsto para o fim do próximo ano. A plataforma real de testes, que começa a receber os dispositivos básicos à medida que os resultados simulados se revelam consistentes, será constituída pelo veículo e toda a eletrônica e o instrumental embarcado, que concretizam a robótica móvel, parte fundamental do projeto.

Segundo a pesquisadora, o sistema híbrido de localização é composto por vários tipos de sensores de baixo custo, que se apoiam em informações adicionais de mapas digitais armazenadas em um banco de dados que possibilita o reconhecimento de objetos-chave utilizados para melhorar a precisão da posição de um veículo terrestre. 

Como funciona

O professor Janito explica que o sistema de navegação autônoma pode ser caracterizado por cinco áreas principais de pesquisa que envolvem: controle de alto nível, navegação, percepção do ambiente, localização referenciada e controle de baixo nível. Em linhas gerais pode-se dizer que o controle de alto nível reúne e utiliza todas as informações disponíveis e com base nelas toma as decisões finais, a exemplo do que compete a um condutor do veículo.  

A navegação corresponde à realização da tarefa de deslocamento do veículo a seu destino, e envolve operações de planejamento do curso e de controle da posição do deslocamento, lidando com as diversas condições dinâmicas do ambiente. Esta função é realizada por diversas técnicas e procedimentos convertidos na forma de algoritmos disponíveis no sistema de controle.  A percepção, que corresponde à assimilação do ambiente, é garantida pelos sensores e faz a vez da visão do motorista, fornecendo informações do ambiente à navegação, permitindo que o veículo siga adequadamente os contornos da via, identifique a posição de outros veículos e obstáculos. Esta função é realizada por uma câmara que, substituindo a visão, dimensiona distâncias e profundidades, tarefas que podem ser complementadas por outros dispositivos como sonar, laser etc.

Em lugar de sensores de alto custo, a ideia é usar, por exemplo, um sensor laser que abrange o ambiente 3D em todas as direções, que custa em torno de 250 mil reais, e que seja capaz de realizar a mesma tarefa com precisão semelhante.

Os métodos de localização permitem saber exatamente onde está o veículo e garantem a realização de uma navegação segura. Esta etapa utiliza o processo de localização híbrida, assim chamada porque emprega a fusão de vários sensores de forma a minimizar os desvios ou erros de cada um deles. Então a precisa localização do veículo, crucial no processo, passa a ser feita não por um sensor de alto custo, mas por vários de custo reduzido.

Por sua vez, a fusão das informações dos sensores é realizada com o emprego de outras informações como as decorrentes de mapas digitais implantados na plataforma. Através desse banco de dados podem ser confirmadas e tornadas mais fidedignas as informações dos sensores, como, por exemplo, a identificação de objetos-chave no ambiente como a posição de uma placa de trânsito, permitindo com esta informação realizar uma localização mais precisa do veículo. Isso naturalmente é possível porque a câmara detecta uma imagem previamente conhecida e que se encontra registrada no mapa digital, estima através dos seus sensores a localização deste objeto, e finalmente corrige a localização do veículo, o que permite diminuir a incerteza da sua posição. Assim, cotejando as informações dos sensores e as contidas no banco de dados, consegue-se maior precisão quanto à localização, mesmo empregando sensores de baixo custo.

Maria Fernanda esclarece que o sistema desenvolvido conta com informações de posicionamento obtidas por um GPS de baixo custo além de outras decorrentes da utilização de um método de localização referenciada. O método de localização referenciada constitui uma inovação no processo proposto por ela, pois através do reconhecimento destes objetos-chave, previamente localizados no percurso a ser percorrido pelo veículo e também devidamente armazenados na base de dados - que pode ser, por exemplo, um sinal de tráfico - é possível ainda fazer eventuais correções de localização do veículo em função da posição do objeto, minimizando ainda mais os erros.

Ela estabelece uma analogia: “De forma simples pode-se dizer que o processo é similar ao utilizado por uma pessoa que pretende se localizar em um ambiente desconhecido. Ao se deparar e identificar um elemento de que tenha prévia informação, ela passa a ter um ponto de referência que lhe permite saber onde se encontra”.

Cabe ao controle de baixo nível cumprir as tarefas determinadas pelo controle de alto nível e normalmente executadas pelo condutor do veículo. Para tanto ele dispõe de uma automação que juntamente com o controle garante que o veículo execute exatamente as tarefas mecânicas necessárias que envolvem a direção, o acelerador e o freio.

Simulações

Por sua vez, a acuidade ou o desempenho do método de localização proposto precisa ser avaliado e é primeiramente verificado em testes simulados através da utilização da plataforma de localização juntamente com uma plataforma de simulação. Estas plataformas incluem um modelo do Fiat Punto com os sensores embarcados e um mapa digital que incorpora inclusive o banco de dados dos objetos chave. A pesquisadora considera que a arquitetura adotada é de fácil adequação à realização destes testes de avaliação, pois permite simular objetos e sensores bem próximos à realidade.

O professor Janito lembra que a simulação permite inicialmente testar todos os recursos e sensores disponíveis sem gastos, sejam eles de alto ou baixo custos, e comparar os seus resultados. E esclarece: “Em nosso caso, mesmo utilizando um GPS simulado de muito baixo custo conseguimos compensar as suas incertezas com o emprego dos demais sensores simulados de baixo custo, o que nos permitiu chegar a excelentes resultados de desempenho da técnica na simulação antes de sua aquisição”.

O docente enfatiza que por enquanto foram feitas as simulações em computador, mas que até o final do próximo ano o primeiro protótipo deverá ser testado no campus. Concluídas as simulações e os primeiros testes do protótipo, os pesquisadores pretendem submeter um novo projeto de pesquisa para equipar a plataforma existente com sensores de alto e de baixo custo de forma que, cotejando os resultados, o sistema por eles proposto possa ser validado experimentalmente.

Publicação

Dissertação: “Desenvolvimento de um sistema de localização hibrido para navegação autônoma de veículos terrestres em ambiente simulado”
Autora: Maria Fernanda Rodriguez Ruiz
Orientador: Janito Vaqueiro Ferreira
Coorientador: Arthur de Miranda Neto
Unidade: Faculdade de Engenharia Mecânica (FEM)

* O Laboratório de Mobilidade Autônoma (LMA), criado em 2008 pelo professor Janito Vaqueiro Ferreira, da Faculdade de Engenharia Mecânica da Unicamp, se propõe a desenvolver pesquisas relacionadas à mobilidade autônoma buscando soluções de baixo custo para veículos aéreos, aquáticos e terrestres que se destinam a realizar tarefas previamente programadas sem condutor. 

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