Uma estrutura inspirada em morcegos para equipar robôs com recursos de localização e mapeamento baseados em som

Os morcegos têm a habilidade inata de se mover no escuro, mesmo quando não conseguem perceber visualmente o ambiente. Essa habilidade fascinante é fundamentada na emissão de ruídos ultrassônicos, que produzem padrões únicos de ecos que oferecem informações sobre a localização de objetos de interesse ou obstáculos próximos.

O desenvolvimento de robôs com recursos semelhantes de localização baseados em som pode ter vantagens significativas, pois pode reduzir sua dependência de sistemas de detecção sofisticados e caros (por exemplo, câmeras, lidar, etc.). Isso poderia reduzir os custos de produção desses robôs, facilitando sua implantação em larga escala.

Pesquisadores da EPFL criaram recentemente uma nova estrutura para permitir localização e mapeamento baseados em som em veículos aéreos não tripulados (UAVs), comumente conhecidos como drones. Essa estrutura, apresentada em um artigo publicado na Cartas de Robótica e Automação IEEEconta apenas com o uso de campainhas simples e microfones de baixo custo.

“Estávamos interessados ​​em explorar se os microfones poderiam ser usados ​​para navegação espacial de robôs, em particular drones”, disse Frederike Dümbgen, um dos pesquisadores que realizou o estudo, ao Tech Xplore.

“Os microfones já são adicionados a muitos robôs para outras tarefas, especialmente para comunicação com humanos, portanto, explorá-los para navegação não teria custo adicional de hardware. Estávamos otimistas de que isso é possível com base nas habilidades dos morcegos: esses animais navegam à noite e em suas cavernas usando principalmente som com desempenho surpreendente.”

Enquanto alguns estudos anteriores tentaram obter localização sem sensores usando ultrassons, semelhantes aos emitidos por morcegos, Dümbgen e seus colegas começaram a criar um sistema de localização e mapeamento que dependia apenas de sons audíveis. Essa abordagem pode reduzir significativamente o custo e o peso de fabricação de um robô, já que as campainhas e os microfones já estão disponíveis nos robôs.

“Ao projetar nossos novos algoritmos de navegação baseados em áudio, levamos esses fatores em consideração, pois queríamos que eles funcionassem de forma eficaz em qualquer plataforma com pelo menos um microfone e alto-falante”, explicou Dümbgen. “Em particular, demonstramos nosso algoritmo em plataformas com apenas microfones e campainhas MEMS baratos, em vez de microfones e alto-falantes de medição caros”.

A maneira como isso funciona é que os robôs emitem varreduras de frequência por meio de uma série de campainhas integradas e, em seguida, usam a resposta que essas varreduras acionam nos microfones integrados para detectar paredes ao seu redor.

“Se um refletor forte, como uma parede, estiver ao redor, o som é refletido e o som refletido interage com o som direto em cada microfone”, disse Dümbgen. “Dependendo da distância e da frequência, esses dois sinais atenuam ou amplificam um ao outro. Portanto, observando o volume do sinal do microfone nas frequências emitidas, podemos determinar se há um refletor próximo e a que distância ele está.”

Usando vários microfones e medições coletadas em posições subsequentes, o sistema da equipe também pode determinar o ângulo em que um refletor está em relação ao robô.

A principal vantagem deste sistema de localização e mapeamento baseado em som sobre as abordagens propostas anteriormente é que ele não requer microfones e alto-falantes particularmente sofisticados.

Isso ocorre porque ele aproveita a interferência de áudio, em vez dos dados de tempo de voo. Isso permite gerar sinais mais longos, permitindo boas relações sinal-ruído mesmo ao usar componentes de hardware baratos e removendo a necessidade de controlar com precisão o tempo das medições coletadas.

“Ao explorar a ecolocalização no drone Crazyflie, identificamos os principais desafios com os quais algoritmos robustos de ecolocalização desenvolvidos para drones precisam lidar – a saber, incerteza de movimento e ruído variável da hélice”, disse Dümbgen.

“Esperamos que os resultados possam fornecer um bom ponto de partida para pesquisas de acompanhamento, para continuar expandindo os limites da ecolocalização para robótica. Para esse fim, abrimos o código-fonte da pilha completa de software e hardware para reduzir a barra de entrada para os especialistas em robótica interessados. em explorar a modalidade de áudio para navegação espacial em robôs.”

No futuro, o sistema criado por essa equipe de pesquisadores poderá ser usado para criar robôs leves e de baixo custo que possam navegar pelos ambientes por meio de sons, sem a necessidade de usar sensores avançados como câmeras. Uma direção de pesquisa interessante seria criar um novo sistema que usasse o próprio ruído da hélice de um drone para obter a ecolocalização, em vez de uma fonte de som ativa.

“Como os drones normalmente emitem ruído alto, isso transformaria esse fator de incômodo em um recurso”, acrescentou Dümbgen. “Outras direções de pesquisa que podem ser exploradas incluem a fusão do algoritmo baseado em som com outros ‘sentidos’, como a visão, e a alternância entre diferentes modos de operação, dependendo do ambiente. Espécies inteligentes são muito boas nessa tarefa: nós, como humanos, por exemplo, confiamos mais em nossos ouvidos quando está escuro e em nossos olhos quando está barulhento. Acredito que robôs verdadeiramente inteligentes também devem ter essa capacidade.”

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