Este pequeno drone usa sonar, semelhante à ecolocalização dos morcegos, para navegar por um bosque. Crédito da imagem: Nitin Sanket.
Por Nitin Sanket, Instituto Politécnico de Worcester
Para ajudar pequenos robôs aéreos a navegar no escuro e em outros ambientes de baixa visibilidade, meus colegas e eu desenvolvemos um sistema de percepção baseado em ultrassom inspirado na ecolocalização dos morcegos.
Os robôs atuais dependem fortemente nas câmeras ou detecção de luz e alcanceconhecido como lidar, ou ambos. Mas esses sensores falham em condições visualmente desafiadoras, como fumaça, neblina, poeira, neve ou escuridão complete.
Eu sou um engenheiro científico que desenvolve microrrobôs de inspiração biológica. Para resolver esse desafio, meu equipe de pesquisa olhou para os especialistas da natureza em navegar em condições de pouca visibilidade: os morcegos. Eles prosperam em cavernas escuras, úmidas e empoeiradas e podem detectar obstáculos tão finos quanto um fio de cabelo humano usando a ecolocalização, pesando apenas dois clipes de papel. Eles emitem ondas sonoras e ouça ecos fracos refletido nos objetos.
No entanto, permitir esta detecção em robôs aéreos é extremamente desafiador porque as hélices geram muito ruído. É como tentar ouvir seu amigo enquanto um motor a jato decola ao seu lado.
Para superar esse problema, apresentamos duas ideias-chave. Primeiro, um escudo acústico físico inspirado na cartilagem da orelha do morcego reduz o ruído da hélice em torno dos sensores acústicos, que agem como as orelhas do robô. Em segundo lugar, um rede neural chamada Saranga recupera sinais de eco fracos de medições muito ruidosas, aprendendo padrões ao longo do tempo, inspirados na forma como os morcegos processam o som.
Juntos, eles permitem que o robô estime a localização de obstáculos em 3D e navegue com segurança usando potência de detecção em nível de miliwatts.
Por que isso importa
Esses tipos de drones são muito úteis para busca e salvamento, principalmente em ambientes confinados, dinâmicos e perigosos, por serem pequenos e baratos. As operações de busca e salvamento acontecem frequentemente em ambientes onde a visibilidade é muito fraca, como incêndios florestais, edifícios desabados, cavernas ou condições exteriores poeirentas. Nestes cenários, sensores tradicionais como câmeras e lidar muitas vezes se tornam não confiáveis.
Os morcegos não dependem apenas da visão e, em vez disso, usam a ecolocalização para perceber o mundo. A detecção de ultrassom não depende das condições de iluminação e funciona em ambientes com fumaça, poeira e escuridão.
Nosso trabalho mostra que é possível trazer essa capacidade para robôs aéreos, apesar do forte ruído da hélice a bordo. O sonar impulsionado pela proteção contra ruído e pelo aprendizado de máquina promete permitir uma nova classe de robôs pequenos e de baixo custo que podem operar em ambientes onde os sistemas atuais falham.
Esta pesquisa pode permitir robôs aéreos minúsculos, autônomos e altamente funcionais para aplicações humanitárias críticas, como busca e salvamento, combate à caça furtiva e exploração de cavernas. A navegação por sonar habilitada para IA pode levar a robôs mais seguros, mais rápidos e mais econômicos para operações urgentes, onde o acesso humano ou de helicópteros maiores é limitado. Este é um passo para poder implantar enxames de robôs aéreos, bem como grupos de morcegos, para explorar ambientes perigosos e procurar sobreviventes.
Avanços na modelagem matemática, no projeto de redes neurais e na caracterização de sensores permitirão outras aplicações de baixo consumo de energia para esses drones, como o monitoramento ambiental. Nosso trabalho pode reduzir a energia em 1.000 vezes, o peso em 10 vezes e o custo em 100 vezes em comparação com soluções atuais.
Que outras pesquisas estão sendo feitas
A maioria dos sistemas de navegação aérea depende de câmeras, sensores de profundidade ou lidar, que se degradam com baixa visibilidade. O radar funciona nessas condições, mas é uso intensivo de energia para pequenos drones. Trabalhos anteriores exploraram a detecção de ultrassom principalmente em robôs terrestres, mas aplicá-la a robôs aéreos tem sido difícil devido ao ruído da hélice e aos sinais fracos.
O que vem a seguir
Estamos trabalhando para melhorar a velocidade de vôo, o alcance de detecção e o tamanho do sistema. Também estamos explorando novos designs de inspiração biológica e combinando ultrassom com outros tipos de detecção.
Em última análise, nosso objetivo é construir robôs aéreos confiáveis e de baixo consumo de energia que possam operar de forma confiável em ambientes dinâmicos e permitir a implantação no mundo actual em busca e resgate.
O Resumo de pesquisa é uma breve visão de um trabalho acadêmico interessante.
Nitin SanketProfessor Assistente de Engenharia Robótica, Instituto Politécnico de Worcester
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