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AUTOMATIZACIÓN

Un automóvil sin conductor

Proyectos brasileños de vehículos autónomos aportan al futuro de la movilidad urbana

En el campus de la USP en São Carlos, alumnos sentados en el asiento trasero asisten al ensayo del automóvil sin conductor y en movimiento

Léo RamosEn el campus de la USP en São Carlos, alumnos sentados en el asiento trasero asisten al ensayo del automóvil sin conductor y en movimientoLéo Ramos

El conductor tendrá libertad para leer, dormitar, manipular un teléfono inteligente e incluso entretenerse con un videojuego. Y todo dentro del vehículo en movimiento. Eso es lo que promete el automóvil autónomo cuya comercialización está prevista para dentro de 10 ó 20 años. Por ahora, los esfuerzos se centran en el campo de la investigación, fundamentalmente en universidades, algunas empresas de la industria automovilística y en Google, que también realiza un proyecto experimental. En Brasil, un modelo Palio Weekend Adventure de la Universidad de São Paulo (USP) fue el primer automóvil autónomo autorizado que circuló por las calles de una ciudad ‒São Carlos, en el interior paulista‒ en un recorrido que abarcó 5,5 kilómetros (km) al comienzo del mes de octubre.

El automóvil, adquirido en una concesionaria de la empresa Fiat, fue acondicionado con una serie de equipamientos por un grupo de científicos del Instituto de Ciencias Matemáticas y de Computación (ICMC) y de la Escuela de Ingeniería del campus de la USP de la referida ciudad. “Uno de los grandes problemas de la actualidad es la falta de tiempo de la gente y la pérdida de tiempo en el tránsito, principalmente en las grandes ciudades”, dice el profesor Denis Wolf, del ICMC, coordinador del proyecto Automóvil Robótico Inteligente para Navegación Autónoma (Carina, según su sigla original en portugués), financiado por la FAPESP y el Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq), fundamentalmente a través del Instituto nacional de Ciencia y Tecnología en Sistemas Embarcados (INCT-SEC).

“Hay estudios científicos que demuestran que los coches ordenados y a una velocidad adecuada, intercambiando automáticamente información entre sí y con sensores ubicados en columnas y en el suelo que, a su vez, se comunican con la agencia de tránsito, pueden incrementar la capacidad de flujo de vehículos hasta en un 300% en las vías urbanas y tres veces en las autopistas. Y eso sólo es posible con los automóviles autónomos”, dice Wolf. Un futuro posible dentro de las ciudades inteligentes, con semáforos y señales de tránsito, por ejemplo, intercambiando información con los vehículos. Señales de wi-fi y de GPS ‒Global Positioning System de localización por satélite‒ de los vehículos, de los celulares y de otros dispositivos transportados por los pasajeros de todos los vehículos, incluso motocicletas, camiones y ómnibus, conformarían una red de información que suministraría las condiciones ideales para que todos transiten con mayor seguridad y rapidez.

Las tecnologías para llegar a ese nuevo mundo se están delineando, tal como muestran los experimentos de São Carlos y de otras dos universidades brasileñas, las federales de Espírito Santo (Ufes) y de Minas Gerais (UFMG). El equipo paulista está integrado por dos profesores, además de Wolf, y 15 alumnos de maestría y doctorado, y cuenta con un mecánico encargado de la adaptación del automóvil. Ellos desarrollaron el sistema de control, con software de comando, y generaron una innovación que será patentada tan pronto como concluyan el desarrollo. Se trata de un motor eléctrico en el árbol de dirección que se acopla y magnetiza el mecanismo produciendo el movimiento del volante del coche de acuerdo con los comandos de las computadoras, que son dos. La primera está emplazada en el maletero, con gran capacidad de procesamiento y un formato industrial, capaz de soportar vibraciones y altas temperaturas. Ésta recibe la información recabada por los sensores externos, tales como los láseres, cámaras y un sistema de GPS muy avanzado que indica la posición del vehículo en un mapa en pantalla junto al conductor. Ese procesador indica lo que el automóvil debe hacer según la información recibida y la transfiere hacia la otra computadora, de menor tamaño, instalada en la guantera.

“Esta computadora menor cumple con la tarea de controlar el hardware del vehículo; cosas tales como, por ejemplo, girar el volante 10 grados, acelerar o frenar”, dice Wolf. El freno cuenta con un mecanismo denominado actuador lineal, que actúa sobre un pistón para activarlo según lo dispongan las computadoras de a bordo. Este sistema constituye un aporte del grupo de investigación de vehículos autónomos de la UFMG. La caja de cambios es automática de fábrica y cambia las marchas según las necesidades del motor del vehículo. “También desarrollamos pero aún no hemos implementado un sistema que se conecta a internet según el software de control del vehículo”.

058-064_Carro_213-01Como la seguridad resulta fundamental, en cualquier momento el conductor puede tomar el comando del automóvil presionando una tecla en el tablero que desconecta todos los sistemas electrónicos que no sean los convencionales del vehículo. Así, el chofer puede retomar el control. En el modo autónomo, la vista del conductor se sustituye mediante láseres y cámaras que funcionan en 360º, del mismo modo que las utilizadas en el sistema Google Street View, con el cual puede identificarse cada sitio en un mapa  con todo lo que hay alrededor en locales previamente filmados por un automóvil de la empresa. Se trata de dos láseres, uno al frente y otro en el techo. Ambos también en 360º emiten 700 mil puntos de luz por segundo para mapear todo lo que se encuentra alrededor a una distancia de 50 metros de radio, midiendo cuán cerca se encuentran otros vehículos, columnas, personas, perros, los cordones o cualquier otro obstáculo, siempre informando el ángulo y la altura en relación con el vehículo. “Se trata de un láser invisible a simple vista que no genera daños para la salud humana”, dice Wolf. La cámara estéreo, dotada de dos lentes, opera con el láser instalado en el frente del automóvil y calcula la profundidad de los objetos alrededor, además de interpretar e informar sobre los carriles de tránsito. “En cuanto a esto nos hallamos en plena etapa de desarrollo: por ahora el automóvil transita por un carril, pero pronto lograremos que identifique si son continuos o dobles, además de reconocer las sendas peatonales”.

La trayectoria del automóvil se determina previamente en un mapa en el monitor, pero durante el recorrido, el ocupante puede modificarlo por cualquier motivo. En el futuro, la información de las condiciones del tránsito podrán determinar los cambios de forma automática según las comunicaciones que el vehículo reciba de la compañía de tránsito o del administrador de la autopista. Las imágenes en el monitor también mostrarán los obstáculos y la gente alrededor del vehículo.

El automóvil, denominado Carina II ‒el Carina I fue un carro de golf eléctrico que tan sólo se probó en el campus‒ en primera instancia recorrió los caminos dentro del campus de la USP en São Carlos, en 2012, y en octubre de este año salió a las calles de la ciudad, con el apoyo de la Secretaría Municipal de Transporte y Tránsito, que liberó el trayecto de otros vehículos y lo escoltó con dos motocicletas. “Hasta donde sabemos, este es el primer ensayo de un automóvil autónomo con todas las autorizaciones en calles públicas de América Latina”, dice Wolf, quien no cuenta con financiación o colaboración con ninguna industria de autopartes o automovilística. “Con la financiación de la FAPESP y del CNPq adquirimos el automóvil por 50 mil reales en 2010, y todos los dispositivos principales, tales como láseres y cámaras fueron importados. Los láseres costaron 110 mil reales y la cámara de 360º otros 40 mil reales, y no se paga impuestos a la importación porque son instrumental para investigación científica adquiridos por medio del CNPq”, dice Wolf.

“Pero todavía queda un largo recorrido, porque nuestro vehículo no realiza aún sobrepasos y la velocidad se encuentra limitada a 40 kilómetros por hora (km/h) por cuestiones de seguridad”, dice. Los estudios se profundizarán mediante la interacción con un grupo de la Universidad del Estado de Ohio (OSU), en Estados Unidos, por medio de un proyecto en el marco de un acuerdo de cooperación firmado entre la FAPESP y la universidad estadounidense. “El grupo de Ohio está mayormente volcado hacia la ingeniería eléctrica y menos a la computación, como en nuestro caso. Ellos cuentan con más de 15 años de experiencia y están más avanzados en cuanto al control e instrumental, pero nosotros llevamos la delantera en interpretación y procesamiento de imágenes captadas por cámaras y sensores”, dice. Trabajando también en la evolución del sistema, el grupo de la USP ha brindado consultoría para empresas del sector agrícola y de vehículos de gran porte, en proyectos que los empresarios prefieren no comentar.

Denis Wolf, de la USP: la autonomía vehicular podría elevar el flujo del tránsito en las ciudades hasta un 300%.

Léo RamosDenis Wolf, de la USP: la autonomía vehicular podría elevar el flujo del tránsito en las ciudades hasta un 300%.Léo Ramos

Aunque cuenta con varios proyectos, el grupo de São Carlos no es el más famoso del país. En forma involuntaria, el equipo liderado por el profesor Alberto Ferreira De Souza, del Laboratorio de Computación de Alto Desempeño (Lcad) del Departamento de Informática de la Ufes, se hizo conocido en Brasil por verse involucrado en un pequeño accidente con la presentadora Ana Maria Braga, de la cadena Globo de televisión, durante un programa en vivo, en la mañana del día 22 de abril de este año. Luego de realizar el recorrido previsto bajo el modo autónomo, el automóvil cambió al modo manual por un error humano. Debido a ello, el vehículo se desplazó ‒no estaba puesto el freno de mano y se hallaba en una ligera pendiente‒ golpeando con su puerta abierta a la presentadora que cayó al suelo y sufrió heridas leves en la boca y en las manos. “Con el nerviosismo del programa en vivo omitimos las reglas de seguridad al momento de desconectar el automático y pasar al modo manual”, recuerda De Souza. “Pero ella fue muy simpática con nosotros e incluso se preocupó por la posible repercusión negativa para nuestro proyecto”. Pero sucedió todo lo contrario, hubo mucha más gente interesada en saber acerca del “automóvil que anda solo”.

El grupo de la Ufes, integrado por otros tres docentes y nueve alumnos de maestría y doctorado, desarrolló el software que controla el vehículo, pero el punto de interés a largo plazo de los investigadores radica en comprender cómo funciona el cerebro humano en relación con la cognición visual para mejorar la percepción de los automóviles. “El cerebro es capaz de crear representaciones internas: al medir el volumen de algo, por ejemplo, algunos lo hacen mirando un objeto en movimiento y calculan su tamaño aproximado, o también en el caso de un jugador de tenis, que debe calcular con precisión la velocidad de la pelota y la posición de la raqueta”, explica De Souza. “En el vehículo, el universo es muy sofisticado porque existen los semáforos, por ejemplo, y determinadas reglas que todos deben cumplir. Intentamos comprender los modelos neurales, y no tan sólo los matemáticos, en situaciones que indican dónde uno se encuentra, en qué lugar. Aunque a lo menor los vehículos no necesitan contar con tanta información como nosotros”.

Para llevar adelante este experimento, De Souza adquirió, con financiación del CNPq y de la Fundación de Apoyo a la Investigación Científica de Espírito Santo (Fapes), un vehículo Ford Escape híbrido, proveniente de Estados Unidos. Y contrató a una empresa estadounidense para modificarlo con mecanismos para controlar el volante, el freno, el acelerador, las marchas y los demás instrumentos por medio de una computadora, además de instalarle las cámaras y láseres de visión de 360º. Luego, el equipo del profesor De Souza desarrolló el software de inteligencia artificial de control y navegación autónoma del automóvil. En total, ya se gastaron en el vehículo 500 mil reales. Para salir a la calle, el coche aguarda la resolución de problemas burocráticos para su obtener su matrícula y su regularización. Por ahora, los test se llevan a cabo dentro del campus de la Ufes, en la ciudad de Vitória. El anhelo del grupo es lograr, en 2014, conducir el coche hasta Guarapari, a 50 kilómetros de distancia, y avanzar en la investigación con redes neurales, principalmente en la comprensión de las reglas de tránsito.

Al contrario que De Souza, quien adquirió el automóvil en 2012, con los mecanismos de activación por computadora ya incorporados, el grupo del profesor Guilherme Augusto Silva Pereira, del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la UFMG, comenzó en 2007 a construir un automóvil autónomo desde cero. “Compramos, con ayuda de la Fapemig [la Fundación de Apoyo a la Investigación Científica del Estado de Minas Gerais], los dispositivos, tales como láseres, cámaras estéreo y GPS, y realizamos la instalación de toda la parte de automatización interna y externa, de modo tal que ese sistema puede instalarse en cualquier vehículo”, dice Pereira. El automóvil utilizado es un modelo Astra 2003 que otro grupo de la universidad ganó en una competencia realizada por el fabricante, General Motors. En el transcurso de estos años, Pereira y sus alumnos reconstruyeron toda la arquitectura de control del coche y desarrollaron un controlador de velocidad que abarca desde cero hasta 40 km/h. “Ya existen controladores que parten desde los 30 km/h. Nosotros construimos uno nuevo porque ese dispositivo resultará esencial para los vehículos autónomos del futuro, cuando será necesario, en un embotellamiento, circular a menos de 40 km/h detrás de otro vehículo con la ayuda de sensores”. El Astra de la UFMG también se encuentra circunscrito a las calles del campus en Belo Horizonte. “Como el coche fue donado, no posee número de chasis y no se lo puede patentar”, dice Pereira.

El automóvil circulando por las calles de São Carlos

DENIS WOLF/USPEl automóvil circulando por las calles de São CarlosDENIS WOLF/USP

Todavía debemos evolucionar bastante y el camino que otros grupos también buscan es la navegación evitando obstáculos, mediante la identificación de una persona, un poste u otro vehículo, sabiendo discernir lo que se encuentra en frente”, dice Pereira. “Buscamos un mapeo semántico de los obstáculos al colocarle nombre e identificar el tipo de problema que se enfrenta”. Él cree que los vehículos autónomos ya están trascendiendo el ámbito de la investigación, al menos, en el área de montaje de los automóviles. “Las empresas automovilísticas ya cuentan con modelos avanzados. Por ejemplo, Nissan anunció que en 2020 contará con un automóvil eléctrico autónomo”, dice Pereira.

“Hay ejemplos que prueban que la tecnología es factible, tal como ocurre en Estados Unidos, donde Google, con un Toyota Prius modificado como automóvil autónomo recorrió miles de kilómetros, y en Alemania, donde Mercedes, Volkswagen y el Instituto Fraunhofer disponen de prototipos”, dice el ingeniero Ricardo Takahira, gerente de Nuevos Negocios en Vehículos Eléctricos e Innovación de Magneti Marelli, y miembro de los comités de vehículos híbridos, eléctricos, telemática e infotainment (información y entretenimiento) de la Sociedad de Ingenieros de la Movilidad (SAE Brasil). “Pero aún falta mucho, incluso una legislación específica para vehículos autónomos. ¿De quién sería la responsabilidad si acaso ese vehículo atropellara a alguien? ¿Sería del propietario o del fabricante? ¿Habrá seguros para este tipo de automóviles? Son las preguntas que todavía nos planteamos”, dice Takahira. “La tecnología debe ir de la mano con la legislación”. El profesor De Souza también cita la preocupación futura por hackers que podrían acceder al sistema operativo del automóvil e incluso provocar accidentes.

Takahira opina que aún hacen falta mapas electrónicos con gran definición de todas las localidades para que la navegación electrónica pueda ser un hecho, más allá de las señales de tránsito electrónicas. También sería necesario hallar soluciones básicas para los problemas originados por la suciedad en la lente de las cámaras, por ejemplo, que podrían originar interpretaciones erróneas del software de imagen. Son detalles que deben resolverse pronto, al mismo tiempo que los automóviles se van tornando autónomos. Y hace referencia a vehículos tales como el Touareg, de Volkswagen, que se vende en Brasil y estaciona solo en un aparcamiento por medio de sensores y cámaras.

El Astra pionero de la UFMG, montado en 2007

FOCA LISBOA/UFMGEl Astra pionero de la UFMG, montado en 2007FOCA LISBOA/UFMG

Algunas dificultades en la senda hacia los vehículos autónomos comienzan a resolverse, tal como ocurrió en Estados Unidos para favorecer a los vehículos experimentales de Google. Para desplazarse con mayor tranquilidad por las calles, los estados de California, Nevada y Florida emitieron leyes que permiten los ensayos con estos tipos de vehículos. De este modo, llevan recorridos miles de kilómetros sin conductor, tan sólo acompañados por ingenieros a bordo de los vehículos. Google posee cinco coches, un Prius y tres Lexus RX, de Toyota, y un Audi TT. El sistema de control de los automóviles denominado Google Chauffeur es coordinado por el ingeniero Sebastian Thrun, del Laboratorio de Inteligencia Artificial de la Universidad Stanford y también uno de los inventores de Google Street View. El equipo de Thrun obtuvo un premio de 2 millones de dólares en 2005, otorgado por la Agencia de Investigación Avanzada de Defensa (Darpa, según su sigla original, en inglés) del Departamento de Defensa de Estados Unidos, por un proyecto de vehículo autónomo. Luego los contrató Google. Existen varias experiencias a nivel mundial, fundamentalmente en Alemania, en Italia, en Japón y en Israel. El profesor Wolf analiza que incluso si la tecnología evoluciona y se aprovecha, aún queda la pregunta: “¿Quién comprará esos automóviles?”. Más allá de ser más costosos, sería vehículos monitoreados por una infinidad de sensores en las calles y carreteras. “No sería sensato sobrepasar a otros vehículos velozmente como se hace ahora, acelerando más que otros o conducir más lentamente que lo que marca el flujo”. Wolf va un poco más allá todavía. “Podría suceder que un día ya nadie compre un automóvil, sólo tendría que solicitar por teléfono que un vehículo sin chofer lo recoja en un sitio para llevarlo a otro cobrándole solamente el traslado”.

Las frecuencias de las estrellas y las de los automóviles
La automatización vehicular utiliza cada vez más radares que podrían interferir en otros sectores

Los automóviles actuales disponen cada vez más de aparatos electrónicos sofisticados, tales como el adaptative cruise control (ACC). Mediante el uso de sensores frontales, el propio sistema, sin la participación activa del conductor, controla la aceleración o el frenado y mantiene una distancia segura con el vehículo que marcha delante, evitando una colisión en el caso de una frenada brusca. En esos casos, uno de los problemas que aparecen para los vehículos autónomos radica en la necesidad de utilizar una frecuencia de radar, de 79 gigahertz, la misma que se encuentra reservada en Brasil y en toda América para el uso en radioastronomía. El radio observatorio de Itapetininga, en Atibaia (São Paulo), del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe), utiliza esa banda para captar datos provenientes del espacio. “Existen comisiones, incluso de la Anatel [la Agencia Nacional de Telecomunicaciones] y de la Unión Internacional de Telecomunicaciones [ITU, según su sigla original, en inglés], que estudian el tema porque en Estados Unidos y en Europa ya existen acuerdos para el uso de esa frecuencia en radares automovilísticos”, dice Takahira. Estos radares en los vehículos producen interferencias en los radio observatorios si un único vehículo se encuentra ubicado a una distancia de 30 kilómetros. “Un grupo de estudios de la Anatel ha participado en las discusiones en la ITU y en el Comité Interamericano de Telecomunicaciones intentando apoyar y establecer criterios de compatibilidad entre esos servicios para que los radares puedan utilizarse en bandas de frecuencias que no perjudiquen los servicios científicos en funcionamiento”, dice el investigador José Willians Vilas Boas, del Inpe.

Proyectos
1. Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Sistemas Embarcados Críticos (INCT-SEC) (n° 2008/57870-9); Modalidad Proyecto Temático-INCT; Coord. José Carlos Maldonado – USP; Inversión R$ 2.639.677,06 (para todo el INCT-SEC) FAPESP
2. A Collaborative Effort For Safer And More Efficient Tranportation With Intelligent Vehicles. (FAPESP-OSU/ 2013) (n° 2013/50332-0); Modalidad Línea Regular de Ayuda al Proyecto de Investigación; Coord. Denis Fernando Wolf – USP; Inversión R$ 21.660,00 (FAPESP)
3. Proyecto Carina – Automóvil Robótico Inteligente para Navegación Autónoma (n° 2011/10660-2); Modalidad Línea Regular de Ayuda al Proyecto de Investigación; Coord. Denis Fernando Wolf – USP; Inversión: R$ 55.753,20 (FAPESP)

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