CENPRAEn lo alto: monitoreo, sensoreamiento y estudio de bosques, áreas agrícolas e industrialesCENPRA
El foco de los estudios de los Investigadores del Laboratorio de Robótica y Visión Computacional (LRVC), del Centro de Investigaciones Renato Archer (CenPRA, sigla en portugués), dependiente del Ministerio de Ciencia y Tecnología (MCT), con sede en Campinas, es desarrollar una tecnología de operación de dirigibles robóticos no tripulados para su uso en el sensoreamiento remoto, el monitoreo ambiental y la inspección aérea. Los expertos trabajan en el Proyecto Aurora, sigla de Autonomous Unmanned Remote Monitoring Robotic Airship, o Dirigible Robótico Autónomo No Tripulado para Monitoreo Remoto, considerado uno de los más avanzados programas de desarrollo de este tipo de aeronave en todo el mundo.
El dirigible del CenPRA despega con la ayuda de operadores, y sigue automáticamente una trayectoria de vuelo previamente asignada. Este tipo de aparato posee un vasto campo de aplicaciones. Puede emplearse para el monitoreo y el estudio de bosques y regiones de interés ecológico, como la Amazónica. Efectúa relevamientos de aspectos agropecuarios en áreas rurales, tales como la cobertura o el uso del suelo, el análisis de cosechas y el número de animales. También puede auxiliar en la medición de la composición del aire y de los niveles de contaminación, y para saber la dispersión de estos últimos en los centros urbanos e industriales.
Asimismo, el dirigible robótico sirve para inspeccionar grandes estructuras – tales como oleoductos, gasoductos y líneas de transmisión -, y efectúa relevamientos de ocupación urbana y prospección topográfica, mineral y arqueológica. Las aplicaciones en seguridad pública o vigilancia también se encuentran en la lista de usos de este vehículo aéreo.
Los dirigibles no tripulados que son comercializados en la actualidad en Estados Unidos y Europa funcionan como aeromodelos, por medio de un radiocontrol con base en tierra. El Aurora pretende avanzar en este terreno: la mayor contribución científica y tecnológica del proyecto consiste en la concepción del software necesario para la operación autónoma del vehículo, a un nivel aún no hallado en el mercado estadounidense y europeo. Esto incluye aspectos innovadores, desde los algoritmos decontrol para la estabilización de la aeronave en vuelo y el seguimiento de la trayectoria hasta un nivel jerárquico superior, que comprende la inteligencia para la percepción, el diagnóstico y la toma de decisiones, factores necesarios para la operación autónoma del dirigible robótico.
El proyecto Aurora se inició en 1997. El primer vuelo del dirigible no tripulado con operación semiautónoma se concretó en marzo de 2000. El objetivo de los investigadores es lograr un vuelo completamente autónomo. “El término autónomo se refiere a la capacidad de percepción y toma de decisiones a bordo, que hacen que el vehículo sea capaz de desempeñar misiones definidas antes del vuelo, alterando su ejecución en caso de que sea preciso, sin la necesidad permanente de un operador humano”, aclara el ingeniero electrónico Samuel Siqueira Bueno, coordinador del Aurora y del LRVC. De esta forma, el vehículo tendría la “inteligencia” necesaria para seguir trayectorias, sorteando obstáculos y evitando zonas de turbulencia, por ejemplo.
A partir de 1998, el Aurora empezó contar con recursos del programa Joven Investigador de la FAPESP, siendo coordinado inicialmente por Marcel Bergerman, y luego por Ely Carneiro de Paiva, ambos ingenieros y becarios de la Fundación. En el marco de este proyecto, el Aurora le rindió al CenPRA un doctorado y cuatro maestrías. En total, el Aurora recibió más de un millón de reales, si se suman los financiamientos de la FAPESP, de la Financiadora de Estudios y Proyectos (Finep), del Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq), del Fondo Sectorial del Petróleo (CT-Petro) y del propio CenPRA.
La amplitud de las aplicaciones del dirigible robótico se debe en parte a las características singulares de este vehículo, como el hecho de contar con una sustentación predominantemente aerostática, situación en la que la aeronave navega sostenida por gases más livianos que el aire. Los aviones y los helicópteros vuelan basados en la sustentación dada a las alas de esas aeronaves (en el helicóptero son rotativas) por el aire a una determinada velocidad. Gracias a su tipo de sustentación, los dirigibles gastan menos combustible para desplazarse y para compensar los disturbios externos, como los vientos. Los dirigibles robóticos utilizan pequeñas hélices como fuentes de propulsión, y piezas articulables en la superficie de sus cuerpos, para cambiar de dirección. Estas hélices son accionadas por motores de combustión, que funcionan con hidrocarburo, el combustible utilizado en los aeromodelos.
Otras características importantes de estos dirigibles son su capacidad para volar a bajas altitudes, entre decenas y unas pocas centenas de metros, y a bajas velocidades: alrededor de 20 km/h, por ejemplo. De tal forma pueden mantenerse suspendidos y prácticamente quietos sobre áreas de interés. Otras ventajas son su elevada autonomía de vuelo y su capacidad para aterrizar y despegar verticalmente, sin necesidad de una infraestructura específica, como las pistas de aterrizaje. Por último, en caso de fallas, los dirigibles son vehículos mucho más seguros, pues descienden en forma lenta, no caen abruptamente.
Un aeromodelo transformado
El Aurora fue planeado para ser un programa de largo plazo y de múltiples etapas. La primera de éstas, actualmente en marcha, pretende establecer la base tecnológica del proyecto, validarla experimentalmente y efectuar aplicaciones de baja complejidad, que sirvan de prueba del concepto desarrollado. Para alcanzar estos objetivos, el CenPRA adquirió en 1998 el dirigible AS800 en Inglaterra. Es un artefacto común para ser piloteado como un aeromodelo, mediante un radiocontrol en tierra, fabricado por la empresa Airspeed Airships. El AS800 tiene un cuerpo inflable de 10,5 metros de largo, 3 metros de diámetro máximo y 34 metros cúbicos de volumen, que es inflado con gas helio.
Tiene una capacidad para transportar 10 kilos de carga, y una velocidad máxima de unos 60 km/h. “Lo que hacemos con el dirigible es sacar al piloto humano y en su lugar ponemos un piloto automático inteligente, guiado vía computadora e instrumentos, creando así una arquitectura robótica específica”, informa Samuel. Inicialmente se hicieron varias adaptaciones mecánicas, para convertir al dirigible en un vehículo robótico.
Al mismo tiempo, se desarrolló toda la infraestructura de a bordo, que está compuesta por una computadora de pequeñas dimensiones, con un sistema operativo basado en el software abierto y gratuito Linux, y que integran también sensores como el GPS (Global Positioning System), una central inercial, una brújula, sondas de viento, cámaras fotográficas en el espectro visible e infrarrojas y aparatos de sensoreamiento remoto, entre otros elementos.
Los investigadores también desarrollaron la infraestructura de tierra, que consiste en una laptop destinada a la programación y operación del vehículo, y los enlaces de radio, módem y video. “Actualmente el dirigible es capaz de seguir en forma automática trayectorias definidas por puntos de paso (coordenadas de latitud y longitud) y perfiles de altitud”, dice Samuel. “Ahora estamos extendiendo el control automático al despegue y al aterrizaje, procedimientos que ningún dirigible no tripulado en el mundo es capaz de hacer.”
Otra innovación tecnológica proyectada para el dirigible robótico son los sistemas de navegación por visión computacional. El objetivo de los investigadores del LRVC es hacer que el dirigible desarrolle trayectorias que sigan blancos visuales, yendo más allá de las coordenadas geográficas. Esta etapa del desarrollo del Aurora es realizada en asociación con instituciones nacionales e internacionales, como el Instituto Nacional de Investigaciones en Informática y Automación (Inria) de Francia, el Instituto Superior Técnico de Lisboa (IST), y el Departamento de Ciencias de la Computación de la Universidad Federal de Minas Gerais (UFMG). Los ensayos con visión computacional empezarán ya en este semestre.
Experiencia de vuelo
Hasta el momento, la aeronave ha concretado aproximadamente cien horas de vuelo. Pero si se suman los preparativos anteriores al despegue y los trabajos hasta el ancoraje final del dirigible en el hangar, el equipo acumula más de 600 horas de trabajo experimental en campo. Los vuelos son efectuados en la 2ª Compañía de Comunicación Blindada del Ejército (2ª Ciacom), ubicada cerca del CenPRA.
La segunda fase del Aurora, prevista para iniciarse este mismo año, prevé la nacionalización de la tecnología, con la fabricación de un dirigible acá en Brasil. Para ello el CenPRA está elaborando un proyecto conjunto con el Departamento de Ingeniería Aeronáutica de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de São Paulo (USP) de São Carlos y con Ômega Aerosystem, una empresa de Santa Cruz da Conceição, en la región de Pirassununga (interior de São Paulo). “Planeamos construir un dirigible robótico no tripulado de mediano porte, con aproximadamente 25 kilos de carga útil, que contará con tecnología de navegación autónoma y una gran variedad de aplicaciones”, informaSamuel.
Según el coordinador del Aurora, grandes empresas e instituciones ya han manifestado interés en el proyecto, y en el futuro podrán emplear esa nueva tecnología. Entre éstas se encuentran la Empresa Brasileña de Investigación Agropecuaria (Embrapa, sigla en portugués), el Instituto Nacional de Investigaciones de la Amazonia (Inpa, sigla en portugués), el Instituto Brasileño de Medio Ambiente (Ibama), Petrobras y la Transportadora Brasileña Gasoducto Bolivia-Brasil (TBG), como así también grupos de sensoreamiento y de ecología de distintas universidades. “Estas empresas y grupos también nos ayudan en la prospección de aplicaciones para estos dirigibles robóticos.”
Control vía Internet
Al margen de desarrollar el dirigible autónomo, el Laboratorio de Robótica y Visión Computacional (LRVC) del CenPRA estudia la manipulación de robots vía Internet, en el marco del proyecto denominado Remotely Accessible Laboratory, o Laboratorio de Acceso Remoto (Real). Dicho trabajo, iniciado en 1999, en cooperación con la Facultad de Ingeniería Eléctrica y de Computación de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp), tiene por objeto crear plataformas (software de soporte) para nuevas aplicaciones de Internet, tales como laboratorios de acceso remoto, enseñanza a distancia y teleconferencias.
También fue desarrollado un laboratorio virtual para el acceso a la infraestructura de robots móviles del CenPRA a través de la red mundial. Los laboratorios virtuales constituyen importantes herramientas educativas y experimentales, que permiten el acceso remoto a recursos de laboratorio. Por lo tanto, constituyen una forma de compensar la falta de recursos y equipamientos de las universidades y centros de investigación. Por medio del Real, investigadores de instituciones con sede en otras ciudades y estados brasileños podrán hacer experimentos con los robots móviles del LRVC, como el Nomad 200 y el XR4000, comprados en Estados Unidos. Éstos poseen diversos sensores, y pueden ser controlados a distancia vía joysticks. Los investigadores también interactuarán con el dirigible robótico, para obtener datos recabados por éste, por ejemplo.
El laboratorio virtual del CenPRA fue desarrollado como un servicio de telemática en Internet, y permite tres modos de interacción entre el usuario y el robot móvil. El primero, denominado navegación básica, se destina a los neófitos, o aquéllos con conocimientos limitados de robótica que dessen manipular robots por medio de comandos. El modo avanzado se dirige a investigadores que pretendan desarrollar y testear sofisticados algoritmos de navegación. En ese modo de interacción pueden ejecutarse experimentos en el campo de la navegación autónoma, el planeamiento de misión y el seguimiento de control del robot, que es ejecutado remotamente. El tercero, llamado navegación de observador, se destina a los alumnos, que pueden ingresar al laboratorio virtual y seguir los experimentos llevados a cabo por un profesor o un experto en robótica.
La interacción con el robot será seguida por dos canales de video, con imágenes en tiempo real obtenidas por medio de dos cámaras, una panorámica, con foco en el ambiente en el que el robot se desplaza, y la otra dispuesta a bordo del propio dispositivo. Para poner a disposición del público este laboratorio virtual, el CenPRA trabaja ahora en la implantación de un enlace de alta velocidad, y está llevando a cabo la actualización de su infraestructura.
EL Proyecto
Vehículos Robóticos Semiautomáticos
Modalidad
Programa Joven Investigador
Coordinador
Ely Carneiro de Paiva – CenPRA
Inversiones
R$ 226.504,88 y US$ 3.595,33
