Grupo da UFMG desenvolve veículo capaz de se locomover sem intervenção humana

Michael Knight era um tipo de cavaleiro medieval dos “tempos modernos”. Ele dirigia um carro com avançada tecnologia e personalidade própria, adquiridas a partir do desenvolvimento de uma inteligência artificial. O veículo possuía um “cérebro computadorizado” e tomava decisões por conta própria, como desviar de obstáculos e assumir o controle enquanto o motorista dormia ao volante. O enredo é da série “A Super Máquina”, que foi ao ar no Brasil no início da década de 1980, época em que tais características seriam impossíveis para um automóvel. Hoje, porém, isso é uma realidade.
Isso é o que provam pesquisadores do Grupo de Pesquisa e Desenvolvimento de Veículos Autônomos (PDVA), vinculado à Escola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). Eles criaram um protótipo de carro autônomo, apelidado de CADU (Carro Autônomo Desenvolvido na UFMG), que se locomove por comandos de computador, sem exigir qualquer esforço físico. O motorista pode dar as coordenadas através de um GPS, comando de voz, ou até mesmo um joystick, como os de videogames.
O Astra modelo 2004 utilizado no projeto foi ganho pela universidade em uma competição de economia de combustível, em 2002, quando a equipe concorreu com um protótipo que alcançou a média de 600 quilômetros por litro. Como prêmio, a Chevrolet doou o automóvel para pesquisa. A transformação do carro começou em 2007 com o desenvolvimento de hardwares e softwares para automatização de seus principais sistemas, como direção, câmbio, aceleração e freio.
O veículo, capaz de se locomover tanto de forma autônoma quanto de maneira tradicional, serve também como uma plataforma de testes para os projetos do grupo. Todo o sistema de navegação foi desenvolvido através de dois projetos aprovados pela FAPEMIG. “A intenção foi combinar diversos sensores para o veículo se localizar, identificar e desviar obstáculos, e assim, se locomover de forma autônoma”, explica Guilherme Augusto Silva Pereira, coordenador do projeto.

Sensores

Conhecidos como robôs móveis, os veículos autônomos (terrestres, aéreos ou aquáticos) são capazes de se locomover e tomar decisões sem que haja intervenção humana. Substituindo o homem, eles podem ser utilizados para realizar tarefas repetitivas e nocivas à saúde humana, como busca e resgate de vítimas em incêndios, inundações e acidentes, vigilância de grandes áreas, monitoramento ambiental e até mesmo atuar em situações extremas como desativar bombas.
A navegação de robôs com segurança é um desafio para diversos pesquisadores da área de robótica móvel. Em sistemas reais, os robôs móveis têm um espaço de trabalho normalmente dinâmico com pessoas passando e objetos que mudam de lugar a todo o instante. Para os robôs, perceber estes obstáculos somente é possível por meio de sensores. Quando são reconhecidos corretamente, os robôs podem planejar a sua trajetória. Para um carro autônomo, por exemplo, se os obstáculos forem reconhecidos em tempo real, torna-se possível trafegar por ruas com outros carros e pedestres.
“Quando nos locomovemos, utilizamos o nosso conhecimento prévio, como a visão ou um mapa, por exemplo. Estas informações armazenadas em nosso cérebro nos dizem qual o melhor caminho a seguir. Os robôs precisam de tais sensores para imitar este comportamento humano”, esclarece o pesquisador. No caso do Carro Autônomo da UFMG, foram combinados sensores internos, como GPS, acelerômetros (mede a aceleração do veículo) e girômetros (medem a velocidade angular) e externos, como câmeras de vídeo, sensor de distância a laser – feixe de luz que percorre o ambiente e mede a distância – e sensores ultrassônicos, os mesmos utilizados em carros comerciais que possuem sensores de estacionamento. “Eles são similares aos sensores a laser, só que bem mais baratos, por isso foi possível utilizar vários deles no veículo”, completa Pereira.
A combinação de sensores é muito utilizada na robótica e serve para amenizar o efeito dos ruídos, ou seja, informações imprecisas que podem fazer com que o veículo tome decisões erradas. “Se um erro no GPS, por exemplo, diz que o veículo está em uma posição em que ele não está, será difícil para ele se locomover. Por isso combinamos o GPS com outros sensores. Para cada problema que temos, uma nova combinação é feita, assim estamos sempre aperfeiçoando o sistema’, exemplifica o coordenador.
O software desenvolvido pelo grupo integra os sistemas de controle e sensoriais por meio de um módulo que controla a posição e atitude do veículo. Para a validação do sistema, foram realizados diversos experimentos onde o carro percorria por um trajeto pré-definido. “Dirigíamos o veículo por determinado caminho e ele salvava os dados de localização, ou seja, a trajetória percorrida. Depois, acionávamos o comando para que o carro repetisse o mesmo caminho”, conta.
Duas câmeras instaladas no teto do automóvel imitam o sistema visual do ser humano por meio de técnicas de visão computacional. As imagens, processadas no computador acoplado ao painel, permitem que o veículo detecte obstáculos à sua frente. Esta etapa está sendo aperfeiçoada atualmente. “Para nós é muito fácil distinguir uma folha de uma caixa, por exemplo. Para o veículo não é tão simples. Há certa imprecisão. Por isto temos que desenvolver algoritmos mais sofisticados”, detalha.
A segurança do veículo e das pessoas ao redor também foi uma preocupação no desenvolvimento do CADU. Ele tem um sistema de emergência que permite sua parada instantânea em caso de pane. Quando é detectada alguma falha, o veículo freia automaticamente. O carro ainda possui três botões que acionam o freio. Um no painel, um no teto e outro com acionamento sem fio, para o uso de quem observa o trajeto.

Guilherme Augusto Silva Pereira, coordenador do projeto

Nacionalizar é preciso

O PDVA é um dos primeiros grupos de pesquisa do Brasil na área de carros autônomos. No país, além da UFMG, este tipo de pesquisa existe apenas na Universidade Federal de Itajubá (Unifei) e na Universidade de São Paulo (USP). O desenvolvimento de veículos autônomos tem despontado no campo da robótica, como visto, por exemplo, nas competições promovidas nos Estados Unidos desde 2004 pela DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), em português, Agência de Projetos de Pesquisa em Defesa Avançada.
Com o evento, diversos grupos de pesquisas envolvendo empresas e universidades se formaram com o objetivo de desenvolver sistemas veiculares robustos e seguros para aplicações comerciais e militares. O número de participantes a cada edição aumenta, e revela interesse e progresso na área de pesquisa e desenvolvimento de veículos autônomos. Uma das dificuldades de adquirir esta tecnologia de fora do país é porque muitas têm aplicações bélicas. Os Estados Unidos, por exemplo, já possuem diversos aviões autônomos que podem ir para guerra sem que haja perdas humanas. Para a Copa do Mundo 2014, a Polícia Federal brasileira anunciou em agosto deste ano a compra de um robô móvel que detona bombas à distância com jato d’água, no caso de ataques terroristas. De origem canadense, o robô custou US$ 860 mil. “O Brasil precisa ter a sua própria tecnologia. É uma questão de segurança nacional”, alerta Pereira

Futuro

Apesar dos esforços realizados nesta área de pesquisa, o caminho para a produção em massa de veículos autônomos ainda é lento. Mas as tecnologias desenvolvidas proporcionam avanços no setor automobilístico, principalmente em aspectos ergonômicos e de segurança. “O objetivo principal do nosso projeto foi criar uma plataforma de testes, uma infraestrutura experimental na área de navegação de veículos autônomos. Nele, podemos testar tecnologias assistivas que auxiliem o motorista a dirigir e evitar acidentes. Por exemplo, o veículo pode emitir um alerta quando o motorista ultrapassar a velocidade permitida na via, e desacelerar automaticamente”, esclarece.
Atualmente, a equipe também está trabalhando para que o automóvel estacione sozinho. Já existem carros comerciais de luxo que possuem esta função, mas, segundo o pesquisador, nacionalizar esta tecnologia pode garantir que ela seja incorporada em carros mais populares. “Nossa preocupação é também formar pessoas para atuar neste segmento da robótica”, ressalta. Na equipe do PDVA, estão professores e diversos alunos de pós-graduação e graduação dos cursos de engenharia elétrica, engenharia de controle e automação, engenharia mecânica e ainda ciência da computação.
Além de tudo isso, o projeto pode beneficiar deficientes físicos, já que atualmente as adaptações para este público são feitas de forma mecânica, havendo necessidade de esforço físico. “Os deficientes poderão controlar o carro através do joystick”, sugere. Para o grupo, ainda há muitos ou tros desafios pela frente. Um projeto futuro será fazer com que o carro respeite as leis de trânsito. “É ambicioso pensar nisso, mas futuramente teremos tecnologias suficientes para que até mesmo os deficientes visuais comecem a dirigir”.
Além do carro autônomo, pesquisadores da UFMG desenvolveram uma aeronave não tripulada e com capacidade de vôo autônomo, o Watch Dog, ou Cão de Guarda (foto ao lado). A construção do veículo foi fruto do projeto Simulação e Desenvolvimento de Veículos Aéreos Autônomos e Não Tripulados (SiDeVAAN), anterior à criação do PDVA, grupo que oficializou a colaboração já existente entre alguns professores dos Departamentos de Engenharia Elétrica, Engenharia Eletrônica, Engenharia Mecânica e Ciência da Computação da UFMG.
O avião recebeu esse nome pela possibilidade de utilização em vigilância e monitoração aérea e é considerado a primeira aeronave autônoma e não tripulada produzida com tecnologia brasileira. O sistema de controle do Watch Dog permite que a aeronave voe sobre pontos geográficos pré-definidos, mantendo um perfil de altitude em relação ao solo. O avião possui um microcomputador acoplado em sua estrutura com capacidade de tomar decisões próprias, baseadas em informações sensoriais.
Lançado em 2007, o projeto foi tema de uma reportagem da MINAS FAZ CIÊNCIA (edição 29) no mesmo ano. Na época, a empresa Flight Solutions já negociava com os pesquisadores uma parceria para a comercialização das aeronaves. Para as companhias que precisam fazer monitoramento contínuo, as aeronaves com pilotos representam um custo altíssimo. Por isso, a utilização dos aviões não tripulados é uma tendência mundial. O veículo substitui a presença do piloto, eliminando riscos e oferecendo praticidade. “A empresa Flight Solutions realmente absorveu o projeto e conseguiu dois contratos com o Exército Brasileiro. Infelizmente, por diversas razões, não nos envolvemos, mas sabemos que o Exército já está utilizando os Watch dogs”, afirma Paulo Iscold, um dos coordenadores do projeto.
Automação
Para cada um dos mecanismos de condução básicos do veículo, foram desenvolvidos sistemas de acionamento que permitem a operação dos mesmos por um software único. Para que o carro ande de maneira totalmente autônoma, é preciso acionar cinco chaves no painel que determinam os comandos: uma geral e as demais para direção, aceleração, câmbio e freio. Veja na figura:

1 - Câmbio: Para a automatização do câmbio, foi empregado um atuador (elemento que produz movimento, atendendo a comandos). Um microcontrolador permite comunicação USB com o computador do painel.

2 - Freio: Assim como o câmbio, um microcontrolador USB faz a comunicação com o computador, e informa quando o sistema de emergência do veículo é acionado.

3 - Direção: Foram acopladas ao volante e ao motor coroas dentadas interligadas. Um controlador digital se comunica com o computador e controla a posição, velocidade e corrente do motor.

4 - Aceleração: A Unidade de Comando Eletrônico original do veículo é responsável pela ignição, controle da mistura ar/combustível. Um microcontrolador envia à Unidade um sinal correspondente à aceleração desejada, simulando o sensor de posição do pedal do acelerador.

Revista 42