Robô com laser LiDAR explora zonas de perigo

Os sistemas robóticos exploram terrenos, edifícios ou zonas de perigo desconhecidos com câmeras. No projeto 3D-InAus, pesquisadores do Instituto Fraunhofer de Comunicação, Processamento de Informação e Ergonomia (FKIE) estão usando um laser LiDAR em um robô móvel, emitindo pulsos de laser para medir distâncias. Os resultados são usados ​​para produzir ambientes 3D geometricamente precisos.

Num desastre como um incidente numa fábrica de produtos químicos ou uma inundação, os serviços de emergência precisam de meios para obter rapidamente uma visão geral da situação. Mas, em muitos casos, não lhes é permitido entrar no local para evitarem colocar-se em risco.

Pesquisadores do Fraunhofer FKIE em Wachtberg estão trabalhando em uma solução para este problema no projeto 3D-InAus. Um robô equipado com um laser LiDAR (detecção e alcance de luz) explora a área. A tecnologia LiDAR usa pulsos de luz para escanear o ambiente e medir distâncias. Isso cria um modelo 3D mostrando edifícios, salas, espaços abertos, objetos e todas as dimensões e distâncias associadas. Os usuários podem mover-se livremente pela visualização de 360 ​​graus usando um joystick enquanto investigam o ambiente virtual.

Timo Röhling, gerente de projeto técnico do departamento de Sistemas Cognitivos Móveis, explica: “Em comparação com sistemas robóticos que usam câmeras para explorar uma zona de perigo, nosso projeto vai um grande passo além. Os pulsos de laser fornecem medições para cartografia 3D precisa de uma área de terreno ou construção. As distâncias e dimensões não são estimadas, mas sim determinadas com precisão de apenas alguns centímetros.”

Nuvem de pontos geométricos derivada de pulsos de laser

A peça central do hardware é um laser LiDAR montado em uma plataforma giratória. Um espelho giratório está embutido no módulo LiDAR. Ele pode digitalizar uma área composta por 16 seções verticais, ou “fatias”, 10 vezes por segundo. A plataforma giratória gira o laser de modo que as seções verticais cubram uma visão completa de 360 ​​graus ao longo do eixo horizontal.

O sistema gera um total de 1,3 milhão de pulsos de laser por segundo. Esses pulsos ricocheteiam nos objetos ao redor e o intervalo de tempo entre eles é usado para calcular a distância relevante. O módulo LiDAR é montado em um veículo que se move pela área, seja continuamente ou no modo stop-and-go.

A operação contínua é muito mais rápida, mas também menos precisa. O resultado é uma nuvem de pontos 3D em que cada ponto representa um pulso de laser ou medição de distância. Há também um sistema de câmeras com até seis câmeras. As imagens das câmeras são usadas para colorir os objetos ou formas associadas.

“Você pode pensar em fundir as imagens da câmera e a nuvem de pontos. Isso nos dá um ambiente 3D vívido, detalhado e também geometricamente preciso, mostrando edifícios, espaços abertos e objetos”, diz Röhling.

Os dados brutos adquiridos pelo laser LiDAR são pré-processados ​​por um módulo de computador dentro do robô antes mesmo de ele terminar sua missão. A visualização final é então produzida de forma estacionária durante o pós-processamento. Demora cerca de três horas para mapear uma área medindo 400 x 400 m. Em um desastre quando o tempo é essencial, a operação acelerada pode ser usada para obter uma visão geral inicial em apenas uma hora. Também é possível explorar uma área utilizando vários veículos simultaneamente.

Este método de mapeamento 3D também é valioso para a Bundeswehr, que encomendou o projeto de pesquisa. Ele pode ser usado para gerar visões gerais situacionais complexas de terreno desconhecido ou de uma zona de perigo e, assim, salvar a vida dos militares. O software do sistema é capaz de processar os valores de medição de sensores que detectam substâncias gasosas tóxicas ou fontes de radiação e depois colocá-los nos mapas 3D.

GPS virtual dentro do prédio

O sistema do robô é geralmente controlado por rádio por um usuário que trabalha com um joystick e um tablet. Se não houver contato de rádio, os sistemas robóticos também poderão se mover pelo terreno de forma autônoma.

Explorar edifícios é um desafio, pois ali não há recepção GPS, mas os investigadores do Fraunhofer FKIE também encontraram uma solução para isso. A posição e o tamanho do edifício já são conhecidos a partir do mapeamento do terreno, e o software utiliza essas informações para gerar um GPS virtual para o interior do edifício. Isso permite que o sistema robótico também navegue de forma autônoma dentro da estrutura.

A equipe do Fraunhofer FKIE baseou-se em seus anos de experiência em modelagem assistida por robô de ambientes 3D para seu trabalho no projeto. “Criamos o conceito, selecionamos os componentes e implementamos os algoritmos”, explica Röhling.

A equipe teve o cuidado de garantir que o sistema do robô fosse o mais versátil possível. O módulo laser e a plataforma giratória podem ser montados, por exemplo, em uma ampla variedade de veículos diferentes. Dependendo do terreno, poderão ser utilizados veículos com rodas ou esteiras ou até mesmo drones. Os usuários montam os componentes específicos para atender cada cenário.