Roman Fedorenko— Professor Associado do Centro de Competência NTI na área de "Tecnologias de Componentes Robóticas e
Dmitry Devitt— Pesquisador Júnior no Centro de Competência NTI na área de Robótica e Tecnologias de Componentes Mecatrônicos da Universidade de Innopolis.
Todo mundo sai da garagem
Roman Fedorenko: Assim como Google, Apple, Microsoft e outros gigantes de TI saíram da garagem, nosso grupo de pesquisa começou com a mesma coisa.Temos grandes esperanças em nossa garagem.Este é um centro de desenvolvimento e testes de robôs. E estamos principalmente engajados em robôs e percebemos os drones exclusivamente como robôs. Esta pode ser uma história incomum para muitos. Tradicionalmente, as pessoas imaginam um robô como um andróide ambulante. Mas existe uma área de robótica de campo em que atuamos. Essencialmente, todos são robôs que se movem: dirigem, nadam ou voam.
Robótica (robótica de campo)- ciência aplicada envolvida no desenvolvimentosistemas técnicos automatizados e é a base técnica mais importante para o desenvolvimento da produção. Existem robótica de construção, industrial, doméstica, médica, de aviação e robótica extrema (militar, espacial, subaquática).
R.F.: Nosso centro funciona principalmente sob os auspícios da National Technology Initiative (NTI).Entre nossos parceiros estão 6 acadêmicosinstitutos, 18 parceiros industriais e 7 parceiros estrangeiros. O que estamos fazendo? Toda a robótica, com a possível exceção dos microrrobôs. Começando pelas industriais: dos manipuladores, incluindo os modernos robôs colaborativos, às neurotecnologias, terminando, claro, com a inteligência artificial (esta é geralmente uma tecnologia ponta a ponta).
R.F.: O projeto que começou tudo para mim são dirigíveis autônomos.E este é um caminho fora do padrão.Normalmente, quando falam sobre drones, pensam que provavelmente você está envolvido com helicópteros. No meu caso, a razão está no caso. Na universidade onde estudei, a Universidade Federal do Sul, existia um Instituto de Pesquisa em Robótica e Processos de Controle. Cheguei lá e imediatamente me interessei por dirigíveis. Como tudo isso aconteceu agora é difícil de entender. Mas passei de um pequeno dirigível, no qual trabalhei no escritório estudantil, para um dispositivo completo de 70 metros para a Agência Espacial Chinesa. O projeto do aluno estava voando em ambientes fechados e era um desafio à parte operar sem GPS. E o dirigível chinês já precisava de um sistema de controle, navegação e telecomunicações.
Dmitry Devitt: Estamos trabalhando em sistemas de controle e sistemas para evitar obstáculos.Na verdade, é isso que eles estão fazendo agoraEscolas científicas russas e mundiais. Em particular, criamos sistemas para operação de drones destinados à filmagem. Na verdade, este é o nosso primeiro trabalho independente. E essa coisa já foi usada em vários filmes - “Godzilla”, “Mulan” e outros. Para que os diretores não precisem se preocupar em enquadrar a imagem, tudo é feito por meio de um drone em modo automático.
De lanternas chinesas a drones
R.F.: As primeiras aeronaves eram lanternas chinesas.Além disso, podemos dar um exemplo de balão de ar quente -balão. Mas o mais famoso dos primeiros dispositivos foi o avião motorizado dos irmãos Wright. Eles fizeram suas primeiras aeronaves como planadores, mas em 1903 ainda não foi registrado um vôo automático, mas controlado. Mas, na verdade, a história é polêmica, pois em 1901 já voavam dirigíveis. No início do século passado, aviões e dirigíveis competiam fortemente. Dirigíveis faziam voos transatlânticos. Eles eram enormes, confortáveis, bonitos, quase como aviões comerciais agora. Mas no final, pode-se dizer que os aviões venceram. Embora os dirigíveis permaneçam e ainda encontrem seu nicho.
R.F.: Existem três princípios para a criação de sustentação.Existem dirigíveis - e este é o princípio aerostático.Como um balão, pela força de Arquimedes, ele sobe e permanece no ar. Existe um método aerodinâmico - com asa fixa ou rotor giratório. Isso inclui helicópteros e helicópteros conhecidos. É claro que a propulsão a jato pode ser classificada como outro tipo - também existem aviões a jato, mas antes de tudo são foguetes.
R.F.: Estamos trabalhando com um híbrido de duas das tecnologias de elevação listadas - um tiltrotor.Este é um dispositivo que tem a capacidadedecolagem e pouso vertical, bem como propulsão de asa. Se falamos sobre o uso de veículos aéreos não tripulados (UAVs), o mais popular hoje é a fotografia e a gravação de vídeos como hobby. Além disso, estamos falando de um mercado completamente competitivo e maduro. A próxima aplicação é militar e financeira. Se falamos de aplicações militares, a Rússia é hoje responsável por 15% da prática global de utilização de robótica aérea. Outro segmento em que os drones são utilizados é o monitoramento. Hoje, soluções para entrega e tarefas de última milha estão em desenvolvimento ativo. A agricultura de precisão, as aplicações industriais e as telecomunicações também estão em ascensão. Um dos casos é o Google Ballon – balões que distribuem pela internet. O principal fabricante de drones é a empresa chinesa DJI, com mais de milhões de horas de voo e já representa mais de 70% de todo o mercado global.
R.F.: Uma das tarefas da agricultura de precisão é o monitoramento das culturas.Além disso, análise do índice vegetativo eidentificar áreas problemáticas. Claro, você pode pulverizar todo o campo com um trator, é mais barato por unidade de área, mas não é muito eficaz. A tarefa é encontrar áreas problemáticas, focos de algumas pragas, etc., por meio de drones equipados com câmeras infravermelhas especializadas. Outra opção de aplicação é irrigação e pulverização. Os caras de Kazan fizeram um projeto legal BRAERON - um drone agrícola de fabricação russa. Este é um dispositivo tão grande que possui duas hélices movidas por um motor de combustão interna. Eles criam a principal força de elevação. E há um circuito de helicóptero que cria torque usando a força de direção para controlar o movimento.
R.F.: Outra opção para usar UAVs como hobby é a corrida de drones.A Drone Racing League (DRL) é a mais popular das organizações que hospedam essas competições. Existem também corridas virtuais baseadas em simuladores.
"Ande, por assim dizer, um cachorrinho!"
D.D.: Há um total de oito estágios de desenvolvimento de drones.Em geral, um quadrocopter, uma aeronave não tripulada e um veículo não tripulado são todos robôs, possuem estruturas semelhantes e algoritmos de controle devem ser aplicados em todos os lugares. Ao mesmo tempo, os sensoriais nem sempre são semelhantes.
R.F.: Os motores encontrados em drones geralmente são sem escovas.Eles têm uma unidade de controle separada queé uma estrutura multinível. O motor possui ESC - controlador eletrônico de velocidade. Definimos o empuxo desejado e ele descobre como controlar o motor, como mudar o enrolamento e assim por diante. O próximo elo é o piloto automático, uma coisa complexa com controlador e muitos sensores: GPS, sistema de navegação inercial, barômetro e outros. A lógica de controle de movimento funciona dentro do piloto automático. Existem também blocos funcionais separados - um bloco controlador, planejamento de movimento, movimento simples ponto a ponto e um bloco para combinar dados de diferentes sensores. Por exemplo, nossos dados GPS chegam a uma frequência baixa; os dados do sistema inercial chegam a uma frequência mais alta, mas apresentam um erro acumulativo. Existem algoritmos que nos permitem combinar tudo isso e nos fornecer bons dados.
R.F.: O piloto automático em um drone é algo básico de baixo nível.Para um controle ainda mais inteligente, são utilizados computador de bordo, câmeras, sensores e outros dispositivos adicionais.
R.F.: O desenvolvimento do drone começa com cálculos conceituais.A aparência do dispositivo e seu sistema estão sendo projetadoscontroles: qual impulso é necessário, qual será a aerodinâmica e assim por diante. Em seguida, é realizada a modelagem matemática. Essencialmente, isso funciona sem hardware. A próxima etapa é o desenvolvimento de um sistema de controle, nomeadamente algoritmos. Para simulação, são utilizadas diversas abordagens e pacotes, por exemplo, MATLAB, ou simuladores prontos - Gazebo, Microsoft FS. A Innopolis University possui seu próprio simulador - Innopolis Simulator. Não só possui uma demonstração visual, mas também uma simulação de todos os sensores, o que significa que fornece os mesmos dados que sensores GPS, sensores de percepção, câmeras e lidars. Isso permite desenvolver tecnologias de controle altamente inteligentes em vários níveis. Depois de depurarmos tudo no simulador (e geralmente funciona bem lá), podemos passar para a parte mais interessante - testes, produção de uma amostra de teste e testes de voo. Como parte de nossa cooperação com o Instituto de Aviação de Kazan, estão sendo construídas instalações de produção para a produção de UAVs, onde serão utilizadas tecnologias de fabricação de drones de fibra de carbono. Se falamos de tecnologia aditiva, podemos fazer isso em Innopolis.
D. D.:Primeiro de tudo, testamos o sistema de controle,para que fique o mais estável possível. Digamos que você precise verificar como um quadricóptero resiste ao vento. Isso pode ser imitado - por exemplo, Roman tenta puxá-lo e despedaçá-lo, agindo essencialmente como uma perturbação externa. Mas estes não são exatamente testes de voo, são os chamados testes de gimbal. Estamos observando como o dispositivo se estabiliza. Também realizamos experimentos malucos - em um helicóptero voador ligamos o motor principal, o da aeronave, e vemos como ele se comporta. Ou seja, ele mantém sua orientação tão corretamente quanto deveria no modo helicóptero. Quando já tivermos certeza em nossos corações de que essa coisa não vai cair, podemos lançá-la. Passear com o cachorro, por assim dizer!
R.F.: O principal problema no desenvolvimento de aeronaves que não sejam dirigíveis é que o menor erro pode levar à queda.É mais fácil com um dirigível - você pode conectar-se a ele e até reiniciar algo. Mas com um avião e um helicóptero, o menor erro, imprecisão nas configurações e pronto.
Principais tendências no desenvolvimento de drones
R.F.: A principal tendência da robótica em que estamos envolvidos é o aumento da autonomia.Anteriormente, um drone era um simples transportador de informações úteiscarga, isto é, bastante contundente e movendo-se de ponto a ponto. Também não é fácil. Voei de ponto a ponto, mas não sabia nada sobre obstáculos, trabalho em ambientes urbanos e sensores. E se houvesse sensores, eles simplesmente registravam dados e coletavam fotografias. Agora há uma tendência de mudança do transportador de carga útil para um robô mais inteligente. Ou seja, ele não apenas coleta dados, mas os analisa imediatamente e os utiliza para seu próprio gerenciamento. Um drone, por exemplo, pode não construir o mapa inteiro, mas encontrar algumas áreas nele, analisar imediatamente e explorar ainda mais territórios interessantes. É claro que isso requer software e algoritmos.
R.F.: A principal tendência em termos de design de drones é a eficiência energética.Usamos as melhores baterias, mas comoVia de regra, um quadricóptero não pode voar por mais de uma hora (mesmo o melhor). Portanto, existem várias opções de como lidar com isso para o uso final. E eles geralmente se dividem em dois componentes. Trata-se de uma espécie de estação automática de manutenção de drones que permite expandir seu funcionamento autônomo trocando baterias ou carregando automaticamente na estação de pouso. E outra direção são as estruturas híbridas. Ou seja, dispositivos mais eficientes que utilizam diferentes princípios de movimento para seus modos. Além disso, com o desenvolvimento atual da tecnologia de sensores, os drones têm a oportunidade de usar vários sensores interessantes que antes pesavam muito e eram caros. São lidars, câmeras multiespectrais e outras câmeras interessantes.
D. D.: Agora, no mundo, eles estão ativamente engajados em sistemas de vôo por obstáculos.Na maioria das vezes, este é um trabalho em instalações complexas elugares barulhentos. Isto é necessário principalmente para analisar edifícios destruídos. Zurique e os principais laboratórios dos EUA, MIT e Skoltech estão agora trabalhando ativamente em tais sistemas capazes de operar em condições de emergência. Nós também estamos fazendo isso - nós mesmos nos inspecionamos, tentamos voar pelo porão. E aqui há muitas tarefas - navegação sem GPS, utilizando apenas sensores para movimentação e o próprio planejamento, ou seja, como precisamos nos movimentar para obter o máximo de informações sobre uma determinada área. Hoje, cerca de 20 laboratórios competem entre si em qualidade e rapidez, porque é importante não só fazer um voo, mas também fazê-lo em menos tempo. Este é um dos desafios em termos de sensores, processamento e algoritmos. Agora, o desenvolvedor mais ativo é o ETH Zurich. Eles desenvolveram sua própria câmera, na verdade, é um tipo de câmera completamente novo, semelhante em estrutura à fisiologia do olho humano e pode produzir não quadros por segundo, mas a diferença entre quadros. Por causa disso, obtemos uma frequência de milhões de quadros por segundo. São milhões de mudanças. Se tivermos hardware integrado que nos permita processar isso, poderemos aceitar e dar o controle na velocidade da luz.
D. D.:O sistema está se desenvolvendo muito ativamenteinspeções, até mesmo uma competição foi lançada no DARPA - SupT Challenge. As equipes estão tentando inspecionar túneis com diferentes tipos de robôs. Deve ser entendido que há apenas um terrível fundo eletromagnético no túnel. Claro, não podemos usar qualquer navegação por rádio. Isso significa que é necessário desenvolver tecnologias de planejamento e navegação autônomos. Este é um desafio muito interessante. Pode ser aplicado simplesmente em áreas colossais. É comum - em um incêndio. Por que enviar uma pessoa quando você pode enviar um drone com um radar. Deixe-o voar, construa um mapa, deixe-o ver onde as pessoas estão. Tudo isso em tempo real a bordo. E apenas um aplicativo aplicado - um drone que voou pela janela e continuou a se mover sem GPS dentro da sala.
D. D.: O principal fabricante de drones no mercado hoje é a DJI. Você pode até dizer que DJI pode fazer tudo.A empresa chinesa fabrica produtos de altíssima qualidade eproduto depurado. Até mesmo o seu sistema de prevenção de obstáculos garante que o drone irá parar e não voar em nenhum ponto a uma velocidade vertiginosa. Ou seja, o principal é a segurança do aparelho e outros. Os mais recentes desenvolvimentos de ponta que integraram já estão sendo vendidos. Por exemplo, o drone Skydio 2 do MIT. Um dispositivo desse tipo, por US$ 1.000, voará em torno de obstáculos na floresta. Em termos de autonomia é melhor que o DJI, tem visibilidade panorâmica e pode realizar análises e construção de mapas, além de evitar colisões. Se o drone DJI parar, este se afasta e continua se movendo. Em geral é uma coisa legal, mas são vendidos na pré-venda.
R.F.: Existem soluções interessantes em termos de design, por exemplo, quando um drone precisa voar por um buraco, ele pode se dobrar e fazer isso dinamicamente.Também estamos trabalhando atualmente em um interessanteprojeto. É dobrável e parcialmente indestrutível. Este é o chamado drone tensor. O princípio da tensegridade, usado na arquitetura, é aplicado aqui. Trata-se de um drone em que a estrutura e a estrutura da gaiola protetora são combinadas e implementadas como uma estrutura de tensegridade, permitindo-lhe sobreviver a quedas. Jogamos de 20 metros, jogamos contra a parede. Apenas crianças em idade escolar em excursão conseguiram quebrá-lo.
Tensegridade- o princípio de construção de estruturas a partir de hastes ecabos em que as hastes trabalham em compressão e os cabos em tração. Neste caso, as hastes não se tocam, mas ficam penduradas no espaço, e sua posição relativa é fixada por cabos esticados, fazendo com que nenhuma das hastes se dobre.
DD: Um dos aplicativos comerciais populares é a inspeção offline.Para tanto, são utilizados drones industriais DJItermovisores. Eles podem voar e ver o estado de, por exemplo, linhas de energia, torres de telecomunicações, gasodutos e tudo mais. Resolvemos o problema de apontar a câmera para o fio, o que é bastante difícil para um piloto fazer enquanto se move. Queremos que o drone seja guiado pela câmera e acompanhe seu movimento. Existe um projeto legal sobre esse assunto - “Andarilho na corda”. Este é um drone que se move ao longo de fios, ao longo de uma corda e voa sobre postes. Coisa legal e russo.
R.F.: Se falamos de autonomia, as estações de carregamento estão agora em desenvolvimento ativo.Na Innopolis University, desenvolvemosplataforma de pouso especial para o drone. Foi originalmente feito para KamAZ - é um caminhão não tripulado com um drone que pode construir um mapa para ele e dizer aonde ir. Mas a plataforma também tem outros usos comerciais. Podemos colocá-lo próximo à pedreira, acompanhar o desenvolvimento, ou no canteiro de obras e, periodicamente, de acordo com um cronograma, realizar voos ou vistorias e traçar um mapa de mudanças.
R.F.: Outra tendência é a combinação de uma estação de desembarque com um terminal de encomendas.A empresa russa Copter Express, queagora está desenvolvendo ativamente na produção de drones, fez um postamat e agora está promovendo-o junto com drones. Ele tem células de armazenamento, sabe como emitir pacotes e assim por diante.
D.D.: Voar de forma totalmente autônoma usando redes neurais é uma das tarefas promissoras na direção da autonomia.O nível de tecnologia atingiu o estágio em que nóspodemos tomar decisões a bordo do quadricóptero durante o vôo. E existem duas abordagens. Uma abordagem é clássica, quando temos um escalonador, um regulador, módulos de percepção separados e temos uma rede neural. E a outra é a chamada ponta a ponta com uma única rede neural. Funciona como uma caixa preta. Possui entradas, sensores e saídas de controle. E implementa os critérios já definidos.
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