SUPER:Robô aéreo de alta velocidade com segurança garantida da Universidade de Hong Kong revoluciona a navegação por drones

André Corselli
SUPER pode navegar em ambientes complexos em alta velocidade com um nível de segurança anteriormente inatingível. (Imagem:HKU)
Ao contrário das aves, que navegam em ambientes desconhecidos com notável velocidade e agilidade, os drones normalmente dependem de orientação externa ou de rotas pré-mapeadas. No entanto, um desenvolvimento do Professor Fu Zhang e de investigadores do Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de Engenharia da Universidade de Hong Kong (HKU) permitiu que drones e micro veículos aéreos (MAVs) emulassem as capacidades de voo das aves mais de perto do que nunca.

A equipe desenvolveu o Robô Aéreo de Alta Velocidade com Segurança Garantida (SUPER), capaz de voar a velocidades superiores a 20 metros por segundo [cerca de 45 milhas por hora] e evitar obstáculos tão finos quanto 2,5 milímetros [cerca de 0,1 polegada] – como linhas de energia ou galhos – usando apenas sensores integrados e poder de computação. Com um design compacto com distância entre eixos de apenas 280 mm [cerca de 11 polegadas] e peso de decolagem de 1,5 kg [cerca de 3,3 libras], o SUPER demonstra agilidade excepcional.

Zhang descreve esta invenção como uma virada de jogo no campo da tecnologia de drones:"Imagine um 'pássaro robô' manobrando rapidamente pela floresta, desviando sem esforço de galhos e obstáculos em alta velocidade. Este é um avanço significativo na tecnologia de voo autônomo. Nosso sistema permite que os MAVs naveguem em ambientes complexos em altas velocidades com um nível de segurança anteriormente inatingível. É como dar ao drone os reflexos de um pássaro, permitindo que ele desvie de obstáculos em tempo real enquanto corre em direção ao seu objetivo."



A inovação reside na integração sofisticada de hardware e software. SUPER utiliza um sensor leve de detecção e alcance de luz 3D (LiDAR) capaz de detectar obstáculos de até 70 metros [cerca de 230 pés] de distância com extrema precisão. Isto é combinado com uma estrutura de planejamento avançada que gera duas trajetórias durante o voo:uma que otimiza a velocidade ao se aventurar em espaços desconhecidos e outra que prioriza a segurança ao permanecer em zonas conhecidas e livres de obstáculos.

Ao processar dados LiDAR diretamente como nuvens de pontos, o sistema reduz significativamente o tempo de computação, permitindo uma rápida tomada de decisões mesmo em altas velocidades. A tecnologia foi testada em diversas aplicações da vida real, como a exploração autônoma de locais antigos, e demonstrou navegação perfeita em ambientes internos e externos.

"A capacidade de evitar obstáculos finos e navegar em espaços apertados abre novas possibilidades para aplicações como busca e salvamento, onde cada segundo conta. A robustez do SUPER em várias condições de iluminação, incluindo à noite, torna-o uma ferramenta confiável para operações 24 horas por dia", disse o autor principal Yunfan Ren.

Aqui está um Tech Briefs exclusivo entrevista, editada para maior extensão e clareza, com Zhang.

Resumos técnicos :Qual foi o maior desafio técnico que você enfrentou durante o desenvolvimento do SUPER?

Zhang :O maior obstáculo foi construir um pequeno drone que pudesse voar muito rápido por lugares desconhecidos e confusos, como florestas ou zonas de desastre, sem cair. Precisávamos que ele pensasse e reagisse rapidamente usando apenas os sensores de bordo e o computador, o que era difícil. O drone teve que detectar obstáculos distantes, planejar caminhos seguros em vários milissegundos e evitar perigos ocultos em áreas que ainda não tinha visto totalmente. Fazer com que todas essas peças – velocidade, segurança e planejamento em tempo real – funcionassem juntas em um pequeno drone foi um enorme desafio.

Resumos técnicos :Você pode explicar em termos simples como o SUPER funciona?

Zhang :SUPER é um drone pequeno e superágil que pode percorrer lugares desconhecidos em alta velocidade, como 72 quilômetros por hora, sem atingir nada. Ele usa um sensor laser chamado LiDAR para “ver” obstáculos a até 70 metros de distância, criando um mapa 3D do entorno, como árvores, fios ou paredes. A cada décimo de segundo, o computador de bordo do SUPER planeja dois caminhos:um rápido, que assume que as áreas inexploradas são seguras, para maximizar a velocidade, e um backup, que se mantém em áreas que sabe que estão limpas, para evitar acidentes. Ele escolhe o melhor caminho para voar rápido, mas permanecer seguro, tudo sem precisar de ajuda externa, como GPS ou computadores extras.
O SUPER passou por testes em diversas aplicações do mundo real, incluindo situações com escuridão total e ambientes desordenados. (Imagem:HKU)
Resumos técnicos :Qual foi o catalisador deste trabalho? Como isso aconteceu?

Zhang :Fomos inspirados pela ideia de os drones ajudarem em emergências, como encontrar pessoas em áreas de desastre ou entregar suprimentos em locais difíceis onde a velocidade e a segurança são críticas. A maioria dos drones voava rápido, mas corria o risco de cair ou era lento demais para ser útil nessas situações. Vimos uma lacuna:ninguém havia construído um drone que pudesse ser rápido e seguro em locais desconhecidos usando apenas seus próprios sensores. Então, decidimos criar o SUPER, combinando novos sensores laser com planejamento inteligente para criar um drone que pudesse lidar com desafios do mundo real, como busca e resgate.

Resumos técnicos :Você tem planos definidos para futuras pesquisas/trabalhos/etc.? Se não, quais são seus próximos passos?

Zhang :Estamos entusiasmados em continuar melhorando o SUPER. Um grande plano é melhorar a capacidade de lidar com objetos em movimento, como pessoas ou veículos, prevendo para onde eles irão em seguida para planejar caminhos mais suaves e seguros. Também queremos tornar o drone ainda mais leve e aerodinâmico, talvez com motores melhores ou um design mais elegante, para que possa voar mais rápido e consumir menos energia. Estamos pensando em atualizar o LiDAR para ver objetos menores e distâncias maiores. Além disso, estamos explorando maneiras de acelerar o software usando chips poderosos como GPUs, abrindo a porta para usos como explorar áreas desconhecidas, inspecionar pontes ou entregar pacotes com rapidez e segurança.

Resumos técnicos :Há mais alguma coisa que você gostaria de acrescentar que eu não mencionei?

Zhang :A capacidade do SUPER de voar em todos os tipos de condições – dia ou noite, através de florestas densas ou espaços apertados – o torna especial. Ele pode até mesmo desviar de obstáculos superfinos, como um fio de 2,5 milímetros, que a maioria dos drones não consegue ver. Isso o torna pronto para trabalhos do mundo real, não apenas para testes de laboratório. Por exemplo, poderia rastrear um carro em movimento ou explorar um edifício desabado. Estamos orgulhosos de que SUPER mostre como os drones podem passar da pesquisa para realmente ajudar as pessoas em situações difíceis, como socorro em desastres ou resposta a emergências, e esperamos que inspire soluções robóticas mais práticas.

Resumos técnicos :Você tem algum conselho para pesquisadores que desejam concretizar suas ideias (em termos gerais)?

Zhang :Comece com um problema real que seja importante para as pessoas, como tornar a vida mais fácil ou mais segura. Junte-se a outras pessoas que tenham habilidades diferentes – talvez alguém ótimo em construção de hardware, outro em codificação ou alguém que conheça o lado prático das coisas. Teste suas ideias com antecedência e frequência, usando simulações de computador e experimentos do mundo real para detectar problemas e corrigi-los. Não tenha medo de falhar; cada teste ensina algo. Seja paciente e continue insistindo, porque transformar uma ideia legal em algo que funcione no mundo real leva tempo, coragem e muitos ajustes.

Transcrição

00:00:01 os pássaros há muito cativam os humanos com sua capacidade de navegar em alta velocidade por ambientes desordenados, mantendo taxas de falha notavelmente baixas. Da mesma forma, os veículos microair, entre as máquinas mais ágeis criadas por humanos, têm o potencial de alcançar voos ágeis semelhantes aos dos pássaros, enquanto os especialistas humanos podem replicar o equilíbrio de agilidade semelhante ao dos pássaros

00:00:24 alta velocidade e segurança em voos autônomos continuam sendo um desafio, as abordagens atuais muitas vezes sacrificam a segurança pela velocidade ou vice-versa, isso levanta uma questão crítica:como os Mavs autônomos podem alcançar voos seguros e de alta velocidade em ambientes desconhecidos do mundo real, introduzindo uma antena super de alta velocidade com segurança garantida

00:00:51 o robô super é compacto, com uma distância entre eixos de apenas 280 mm e um peso de decolagem de 1,5 kg, alcançando uma relação de peso de empuxo superior a 5,0, é equipado com um sensor de detecção e alcance de luz de 360° capaz de detectar objetos a até 70 M de distância em uma taxa pontual superior a 200.000 Herz com percepção avançada baseada em mentirosos, planejamento garantido de segurança e ideal

00:01:20 módulos de controle super navegam em ambientes desconhecidos em velocidades acima de 20 m/s, confiando inteiramente na detecção e na computação a bordo, podem manobrar com agilidade em ambientes extremamente desordenados em altas velocidades sem comprometer a segurança com seu sistema avançado de percepção baseado em mentirosos, super eficientes

00:01:51 detecta e evita obstáculos finos, como linhas de energia, além disso, pode identificar objetos finos com menos de 2,5 mm em apenas 20 milissegundos, permitindo uma navegação precisa através de ambientes desafiadores que representam dificuldades significativas para produtos comerciais baseados em visão de última geração, o mecanismo de detecção ativa do lar também permite a operação de super

00:02:21 o dia todo, mesmo na escuridão total, graças a esses recursos excepcionais, super foi testado em várias aplicações do mundo real, pode ser aplicado para explorar autonomamente locais antigos, navegar sem problemas em espaços internos e externos, também pode atravessar florestas densas com garantias de segurança

00:02:51 superando obstáculos complexos, a agilidade se estende à missão de rastreamento de objetos, permitindo seguir alvos de perto e evitar obstáculos em ambientes internos e externos durante o dia e a noite com suas habilidades de navegação em alta velocidade, design com segurança garantida e desempenho robusto.

00:03:22 Marco significativo na transição da navegação autônoma de alta velocidade do laboratório para aplicações do mundo real, embora não seja perfeito, os pesquisadores esperam que o super desbloqueie novas possibilidades em futuros cenários do mundo real, como mapeamento de inspeção de entrega autônoma e missões de busca e salvamento