Ultralightweight Sonar Plus AI permite que drones minúsculos naveguem como morcegos

(MENAFN- A Conversa) Para ajudar pequenos robôs aéreos a navegarem no escuro e noutros ambientes de baixa visibilidade, os meus colegas e eu desenvolvemos um sistema de perceção baseado em ultrassons inspirado na ecolocalização dos morcegos.

Os robôs atuais dependem fortemente de câmaras ou de detetar e medir a distância usando luz, conhecido como lidar, ou de ambos. Mas estes sensores falham em condições visualmente difíceis, como fumo, neblina, poeira, neve ou escuridão total.

Sou um engenheiro científico que desenvolve microrobôs inspirados em biologia. Para resolver este desafio, a minha equipa de investigação recorreu aos especialistas da natureza na navegação com pouca visibilidade: os morcegos. Prosperam em cavernas escuras, húmidas e cheias de pó e conseguem detetar obstáculos tão finos como um fio de cabelo humano através da ecolocalização, pesando tão pouco como dois clipes de papel. Emitem ondas sonoras e ouvem ecos fracos refletidos pelos objetos.

No entanto, habilitar esta deteção em robôs aéreos é extremamente desafiante porque as hélices geram muito ruído. É um pouco como tentar ouvir o teu amigo enquanto um motor a jato está a descolar ao teu lado.

Para ultrapassar este problema, apresentamos duas ideias-chave. Primeiro, um escudo acústico físico inspirado na cartilagem do ouvido do morcego reduz o ruído das hélices à volta dos sensores acústicos, que atuam como os ouvidos do robô. Segundo, uma rede neural chamada Saranga recupera sinais de eco fracos de medições muito ruidosas, aprendendo padrões ao longo do tempo, inspirado na forma como os morcegos processam o som.

Juntos, isto permite ao robô estimar localizações de obstáculos em 3D e navegar em segurança usando energia de deteção ao nível de milivatios.

Por que é que isto importa

Estes tipos de drones são muito úteis para busca e salvamento, especialmente em ambientes confinados, dinâmicos e perigosos, porque são pequenos e baratos. As operações de busca e salvamento acontecem muitas vezes em ambientes em que a visibilidade é muito fraca, como incêndios florestais, edifícios colapsados, grutas ou condições exteriores com poeira. Nestas situações, sensores tradicionais como câmaras e lidar tornam-se frequentemente pouco fiáveis.

Os morcegos não dependem apenas da visão e, em vez disso, usam a ecolocalização para percecionar o mundo. A deteção por ultrassons não depende das condições de iluminação e funciona em fumo, poeira e escuridão.

O nosso trabalho mostra que é possível levar esta capacidade para robôs aéreos apesar do forte ruído das hélices a bordo. O sonar reforçado por blindagem de ruído e por aprendizagem automática promete permitir uma nova classe de pequenos robôs de baixo custo que podem operar em ambientes onde os sistemas atuais falham.

Esta investigação pode permitir robôs aéreos autónomos, pequenos e altamente funcionais para aplicações humanitárias críticas, como busca e salvamento, combate à caça furtiva e exploração de grutas. A navegação por sonar com apoio de IA pode conduzir a robôs mais seguros, rápidos e mais económicos para operações com prazos críticos, em que o acesso de pessoas ou de helicópteros maiores é limitado. Isto é um passo no sentido de conseguir implementar enxames de robôs aéreos, muito à semelhança de grupos de morcegos, para explorar ambientes perigosos e procurar sobreviventes.

As descobertas em modelação matemática, conceção de redes neurais e caraterização de sensores permitirão outras aplicações de baixo consumo para estes drones, como monitorização ambiental. O nosso trabalho pode reduzir o consumo de energia em 1.000 vezes, o peso em 10 vezes e o custo em 100 vezes em comparação com as soluções atuais.

Que outra investigação está a ser feita

A maioria dos sistemas de navegação aérea depende de câmaras, sensores de profundidade ou lidar, que se degradam em baixa visibilidade. O radar funciona nestas condições, mas é intensivo em energia para pequenos drones. Trabalhos anteriores exploraram a deteção por ultrassons principalmente em robôs terrestres, mas aplicá-la a robôs aéreos tem sido difícil devido ao ruído das hélices e aos sinais fracos.

O que vem a seguir

Estamos a trabalhar para melhorar a velocidade de voo, o alcance de deteção e o tamanho do sistema. Também estamos a explorar novos designs inspirados em biologia e a combinar ultrassons com outros tipos de deteção.

Em última análise, o nosso objetivo é construir robôs aéreos fiáveis e de baixo consumo que consigam operar de forma fiável em ambientes dinâmicos e permitir a implementação no mundo real em busca e salvamento.

O Resumo da Investigação é uma breve abordagem sobre um trabalho académico interessante.

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