Robôs mínimos astutos como os insetos

Inspirados nos movimentos precisos e exatos de pequenos insetos, como as formigas, que caminham em diversas direções e depois retornam ao local de origem, pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Delft (TU Delft), na Holanda, desenvolveram pequenos robôs, 56 gramas, o Drone Bitcraze Crazyflie Brushless. O desafio agora é estabelecer mais autonomia para eles com disponibilidade de memória e carga – por enquanto esses três aspectos são bastante limitados.

O artigo sobre o avanço da pesquisa foi publicado na Science Robotics. “Os drones são particularmente desafiadores porque só podem transportar alguns sensores e pouco poder de processamento durante o vôo. Mas isto também significa que será mais fácil implementar o nosso método em robôs que suportam cargas maiores”, afirma Guido de Croon, coautor do estudo.

Para estudar alternativas aos desafios, os cientistas montaram uma arena de voo na qual avaliaram a capacidade do robô de percorrer dois caminhos corretamente. O drone equipado com câmera completou a viagem com odometria (técnica usada para medir a distância percorrida) baseada na navegação inercial. Na técnica, são instalados no veículo instrumentos (giroscópio e acelerômetro) que registram movimentos de deslocamento instantâneo, rotação e orientação geográfica magnética. As informações de aceleração e tempo são convertidas em dados de deslocamento por meio de cálculos.

“Esse processamento deteriora a precisão das estimativas de movimento, tendendo a aumentar a distância considerada percorrida. Para fornecer informações de odometria mais úteis, os instrumentos de navegação inercial dos drones precisam ser combinados com outros sistemas de registro de trajetória de navegação”, relata Paulo Roberto Kurka, pesquisador do Departamento de Sistemas Integrados da Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp). .

Os pesquisadores programaram o drone para estacionar em pontos-chave do percurso e fotografar o ambiente. Durante o passeio, as imagens funcionam como pontos de referência (nós) para calibrar a navegação odométrica: são áreas limite a partir das quais a odometria pode gerar erros de rota. O robô está programado para comparar a paisagem atual com os arquivos anteriores. Desta forma, ele se orienta e ajusta o ângulo de pose para a próxima seção da navegação odométrica.

“Você pode imaginar fechar os olhos e rastrear onde você está enquanto caminha. Quanto mais passos você der com os olhos fechados, menos certeza terá de onde está e poderá querer dar uma espiada para descobrir. É exatamente isso que propomos com os snapshots”, resume de Croon. O modelo foi inspirado no deslocamento tátil das formigas, que contam seus passos a partir da base, e das abelhas, que reconhecem elementos visuais nos percursos.

Menos é mais

O posicionamento estratégico de marcos fotográficos não é o único recurso que os cientistas da TU Delft usam para economizar espaço de memória. O formato de armazenamento é extremamente compacto, de forma a preservar apenas características das regiões onde a transição de cores ou formas é mais intensa em cada imagem. No final, os instantâneos em preto e branco parecem quase imperceptíveis aos olhos humanos, mas são suficientes para que o processamento do robô encontre o caminho.

A aposta é economizar processamento para navegação para deixar mais espaço para outras ferramentas, como armazenar informações de estoque em uma indústria ou fitossanidade em uma estufa.

Para efeito de comparação, um aspirador robô doméstico utiliza um mecanismo que realiza mais cálculos e ocupa mais espaço, pois mapeia completamente a área a ser limpa (SLAM) e não necessita de mais memória para outras atividades. Assim, a técnica dos pesquisadores de Delft poderia ser comparada a um atalho tecnológico para o desenvolvimento de pequenos robôs independentes.

“O robô trabalha com limitações muito grandes e pode ser impreciso na fase de desenvolvimento em que se encontra”, comenta Flávio Vidal, pesquisador do departamento de Ciência da Computação da Universidade de Brasília (UnB). Ele reforça que a técnica tem um princípio simples, não o processamento mais avançado, que só permite a utilização de um caminho subótimo.

Vidal destaca ainda que a baixa disponibilidade da bateria do drone pode ser um limitador de alcance. De Croon confirma que tornar o modelo mais robusto e possibilitar diferentes rotas de retorno são melhorias que interessam à equipe, ajustes que devem levar em conta a energia disponível. Mesmo assim, o robô é capaz de completar dois percursos de teste, em U (56 m) e em S (40 m), fazendo uma viagem de ida e volta sem descarregar a bateria. Com apenas odometria sem complemento visual, a bateria não suportou o retorno devido ao maior tempo de viagem.

Cânion de Urgan

Zonas onde a propagação das ondas rádio é semelhante à das falésias naturais devido à disposição dos elementos arquitetónicos e infraestruturais.

Mil e uma possibilidades

Especialistas brasileiros estão confiantes de que o uso da tecnologia de miniaturização tem inúmeras possibilidades de aplicabilidade. Para eles, os campos são os mais diversos, desde operações de resgate à indústria petrolífera, passando pelo monitoramento de locais de risco e de difícil acesso, até a indústria de armas e exploração espacial e robótica. Há também a alternativa de melhorar o sistema do carro elétrico.

Para os pesquisadores, as vantagens incluem o baixo custo e o grande potencial dos pequenos robôs como instrumento de coleta de dados essenciais. Além do tamanho reduzido e armazenamento que beneficiam a técnica proposta.

Flávio de Barros Vidal, do Departamento de Ciências da Computação (CIC), da UnB, destaca a relevância da miniaturização para o desenvolvimento da robótica, inclusive na área de exploração espacial. “Pensando em um ambiente inóspito, o código do robô tem que ser mais enxuto, o uso de energia super econômico. Numa missão no espaço, não há recursos ilimitados para substituir baterias, não há carregador.”

Paulo Roberto Kurka, pesquisador do Departamento de Sistemas Integrados da Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), acrescenta, por exemplo, que o GPS continua a ser um elemento externo ao robô, o que não proporciona autonomia total, pois requer comunicação remota constante durante o cumprimento da missão.

Kurka também critica a aplicação de antenas transmissoras fixas no ambiente de navegação (beacons), alternativa utilizada na automação industrial para rastreamento de produtos e controle de estoque.