Pesquisadores da USP são premiados em desafio para aumentar segurança de carros autônomos

Equipe de São Carlos conquistou prêmio de US$ 17 mil depois de vencer três das quatro categorias em uma disputa internacional que envolveu 211 participantes

Os campeões fazem parte do Laboratório de Robótica Móvel do ICMC: ideia do grupo é que as melhorias testadas na plataforma da competição possam ser implementadas no Carro Robótico Inteligente para Navegação Autônoma (CARINA II), possibilitando a locomoção em situações mais complexas
(crédito da imagem: divulgação LRM/ICMC)

Foi preciso percorrer 6.582 quilômetros por mais de 5,7 mil horas para que os 69 carros autônomos dos melhores laboratórios de pesquisa do mundo concluíssem uma competição inédita. São quilômetros mais do que suficientes para cruzar, de carro, a distância que separa o Oiapoque, no extremo norte do Brasil, do Chuí, no extremo sul. A questão é que esses carros não alcançaram a façanha enfrentando estradas pavimentadas ou de terra, mas usando uma plataforma virtual que simula percursos, o Car Learning to Act (CARLA). 

Tal como em um rally da vida real, a competição internacional demandava que os veículos criados pelos 211 participantes percorressem rotas virtuais, encarando engarrafamento, chuva, placas de trânsito, semáforos, carros desavisados, pedestres incautos além de outros imprevistos. No entanto, diferentemente dos jogos eletrônicos, nesse caso não havia controle remoto: os participantes da disputa programavam seus veículos diretamente de seus laboratórios de pesquisa, espalhados por vários locais do planeta, e enviavam os códigos para computadores que processavam essas informações. Automaticamente, a plataforma de simulação verificava como cada veículo tinha se comportado e computava os pontos obtidos. Nesse rally virtual, não é quem anda mais rápido que se torna campeão, mas quem comete o menor número de infrações e acumula mais pontos. 

Resultado: o carro autônomo criado por seis alunos de pós-graduação e dois professores da USP obteve o melhor desempenho em três das quatro categorias do Desafio de Direção Autônoma CARLA, que foi patrocinado por empresas líderes na corrida pelo desenvolvimento da tecnologia para veículos autônomos. O time ainda conseguiu o segundo lugar na única categoria que não venceu e conquistou um prêmio total de US$ 17 mil. “A principal motivação dos pesquisadores em direção autônoma é promover segurança. A ideia é, no futuro, ter um nível de automação em que os veículos autônomos sejam capazes de alcançar resultados melhores do que um ser humano”, explica Júnior Rodrigues da Silva, doutorando do Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação (ICMC) da USP e um dos membros da equipe campeã. 

Coordenada pelos professores Denis Wolf e Fernando Osório, do Laboratório de Robótica Móvel do ICMC, a equipe foi composta por mais cinco pós-graduandos: Angelica Mizuno Nakamura; Iago Pachêco Gomes; Jean Amaro; Tiago Cesar dos Santos e Luis Alberto Rosero. O doutorando Júnior ressalta ainda que, para se tornarem mais competentes que os humanos, os veículos autônomos ainda têm uma longa estrada pela frente. Daí a relevância de participar de desafios de simulação, que possibilitem às máquinas passarem por situações muito próximas às que os motoristas vivenciam no mundo real. 

“Essa primeira edição da competição ajudou a identificar em que patamar estão os trabalhos na área e como os pesquisadores lidam com os principais dilemas nesse campo de pesquisa. A ideia é que a disputa aconteça anualmente para que os cientistas acompanhem a evolução dos estudos”, conta o mestrando Iago Pachêco Gomes. “As estatísticas produzidas durante a competição servem para instigar as equipes a melhorarem seus sistemas. Por exemplo, nenhum time conseguiu, sem cometer qualquer infração, cumprir o trajeto com menor nível de dificuldade”, completa. 

Reduzindo as incertezas – Até recentemente, não havia uma plataforma on-line aberta que possibilitasse realizar simulações com carros autônomos, propiciando uma aproximação razoável do mundo real. Os custos para fazer testes com esses veículos em vias públicas são muito altos, o que restringia a realização de pesquisas. Com o surgimento de uma plataforma como o CARLA, os pesquisadores têm à disposição um meio mais acessível e seguro para os testes. 

“Como um carro autônomo vai agir ao se deparar com uma situação muito inusitada como, por exemplo, um cachorro que surge de repente na pista depois de sair detrás de uma árvore?”, questiona Júnior. Cenários inesperados como esses, que acontecem frequentemente na vida real, estão entre os obstáculos encontrados pelos pesquisadores da área. Afinal de contas, esse tipo de situação é desafiadora até mesmo para os seres humanos: muitas vezes, desviar do cão implicará atropelar uma criança que está do outro lado da rua ou até mesmo causar um acidente grave e colocar em risco a vida de muitas pessoas. 

Note que diversos processos ocorrem nos poucos segundos em que um motorista capta os dados do cenário à frente – por meio dos órgãos de percepção que propiciam, por exemplo, ver e ouvir. A seguir, o condutor deve interpretar essas informações, analisar as opções de que dispõe e tomar, finalmente, uma decisão. Só então, caso necessário, os músculos serão movimentados e vão acionar os dispositivos do carro para desviar ou colidir com o animal. Agora imagine quanto trabalho demanda transformar todos esses processos em um passo a passo (algoritmos) a ser executado rapidamente por um computador. 

“Se você está a 50 quilômetros por hora e vê uma placa com a indicação de 30 quilômetros por hora, precisa interpretar essa informação e, a seguir, tomar a decisão de reduzir a velocidade. No caso do carro autônomo, a nossa função é programá-lo para que, a partir dos dados provenientes dos sensores, as informações do ambiente sejam interpretadas adequadamente e as decisões possam ser tomadas”, explica Júnior. 

Primeiro, é necessário substituir os órgãos perceptivos do motorista por câmeras, sensores a laser e GPS (sistema de posicionamento global). Depois, esses dados captados devem ser transformados em informações úteis para a posterior tomada de decisão. “Para o computador, uma imagem é uma matriz de números. Então, precisamos criar algoritmos que consigam extrair informações relevantes daquela imagem, possibilitando, por exemplo, identificá-la como sendo uma placa, um semáforo ou um ser vivo”, relata a doutoranda Angélica Nakamura. 

A direção autônoma ficará comprometida caso a imagem tenha pouca qualidade e seja interpretada de forma inadequada. É o que acontece com muitos motoristas em dias de chuva. “Dependendo, por exemplo, da qualidade dos sensores de percepção empregados, é possível afirmar, com 90% de certeza, que o sinal está vermelho. Não é 100% porque sempre existe uma possibilidade de erro. Então, os pesquisadores precisam criar um sistema de tomada de decisão que leve em conta esse grau de incerteza”, explica Júnior. 

Por isso, a qualidade do sistema de percepção e de tomada de decisão – desenvolvidos a partir de ferramentas da área de inteligência artificial – é fundamental. Só depois de realizados os processos de percepção, interpretação e tomada de decisão, o carro autônomo de fato partirá para a ação e, caso necessário, serão acionados dispositivos como volante, acelerador e freio. 

O doutorando Júnior revela também que as quatro categorias do Desafio de Direção Autônoma CARLA se diferenciavam devido aos tipos de sensores disponíveis. Em algumas havia menos equipamentos à disposição – apenas câmera e GPS – já em outras era possível captar dados usando sensores a laser, por exemplo. “Em cada categoria, o veículo deveria percorrer várias rotas. E os pontos conseguidos na categoria eram calculados pela média obtida em cada rota”, completa Júnior.

Ilustrações retratam situações de tráfego apresentadas na plataforma de simulação para carros autônomos
(crédito da imagem: site CARLA)

Ampliando os conhecimentos – O carro autônomo campeão, criado pelos seis alunos de pós-graduação e dois professores da USP, é resultado de um trabalho que vem sendo realizado desde 2010 no Laboratório de Robótica Móvel do ICMC. Responsável por promover o primeiro teste de carro autônomo em vias públicas da América Latina em 2013, o Laboratório também criou um caminhão autônomo em parceria com a Scania em 2015. 

“Já tínhamos desenvolvido algoritmos de percepção para o projeto do Carro Robótico Inteligente para Navegação Autônoma (CARINA) e para o caminhão. Então, aproveitamos esses algoritmos no desafio internacional, fazendo os ajustes necessários. A ideia, agora, é que essas melhorias testadas na plataforma simulada possam ser implementadas no CARINA II, possibilitando que nosso carro possa se movimentar por cenários mais complexos”, afirma Júnior. 

É fato que os benefícios potenciais dos veículos autônomos são imensos e vão desde a eliminação de acidentes causados por erros humanos até a redução da emissão de dióxido de carbono e o uso mais eficiente de energia e infraestrutura. No entanto, muitas questões tecnológicas permanecem sem resposta, tais como: qual é a melhor combinação de sensores para um carro autônomo? Quais componentes do sistema podem ser aprimorados com os próprios dados obtidos durante os percursos? Em quais situações de tráfego diferentes algoritmos falham? 

Perguntas como essas poderão ser respondidas mais rapidamente com a participação das equipes de pesquisadores em competições como o Desafio de Direção Autônoma CARLA. Os brasileiros largaram na frente, mas estamos ainda no começo da era dos veículos autônomos. A manutenção da liderança depende da valorização da ciência brasileira e de futuros investimentos. 

Laboratório também criou um caminhão autônomo em parceria com a Scania em 2015
(crédito da imagem: Paulo Arias)

Texto: Denise Casatti – Assessoria de Comunicação do ICMC/USP 

Com apuração de Marília Calábria 

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Assista ao vídeo sobre o projeto campeão: https://youtu.be/b56LuqEvTKE

Site do Laboratório de Robótica Móvel do ICMC: www.lrm.icmc.usp.br

Site do Desafio de Direção Autônoma CARLA: https://carlachallenge.org/ 

Assessoria de Comunicação do ICMC: (16) 3373.9666 

E-mail: comunica@icmc.usp.br

Empresas conhecem veículos autônomos desenvolvidos no ICMC

Aproximação entre a universidade e iniciativa privada marcou evento de demonstração das tecnologias desenvolvidas pelo Laboratório de Robótica Móvel 

Veículos autônomos desenvolvidos no ICMC foram exibidos durante evento

Aproximar as empresas da universidade pode ter papel fundamental no desenvolvimento da pesquisa e da tecnologia. Foi pensando nisso que o Laboratório de Robótica Móvel (LRM) do Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação (ICMC) da USP, em São Carlos, realizou um evento para apresentar algumas das tecnologias desenvolvidas na área de veículos autônomos. O encontro contou com cerca de 50 participantes de 20 empresas interessadas em conhecer de perto essa área de pesquisa, e também em estudar a possibilidade de firmar parcerias com a USP.

Os representantes das empresas foram recebidos na área 2 do campus pelos professores Denis Wolf, do ICMC, e Edson Kitani, da Fatec de Santo André, outra instituição que organizou o evento juntamente com a Escola Politécnica da USP. Wolf fez uma breve apresentação dos projetos desenvolvidos no LRM, como o CaRINA e o Caminhão Autônomo. “A pesquisa desenvolvida pelo LRM tem um grande potencial de contribuição social, reduzindo acidentes e ampliando a mobilidade de idosos e portadores de necessidades especiais. Considerando o interesse da indústria automotiva nesse assunto, é fundamental estabelecer um contato com os representantes desse segmento”, explica Wolf.

Wolf apresenta projetos para representantes de 19 empresas

Em sua apresentação, o professor Kitani debateu com os convidados fatos históricos que aceleraram o desenvolvimento da eletrônica veicular e de veículos inteligentes. O docente também comentou sobre os novos desafios da tecnologia na atualidade e a importância de estabelecer novas parcerias com as empresas.

“Esses acordos são interessantes pois conseguimos ter um bom intercâmbio de informações e ideias. Essas tecnologias vão agregar muito porque esse é o futuro do transporte. Poderemos traçar melhores rotas, distribuir melhor os pontos de parada e determinar quantos passageiros podemos levar”, conta Eduardo Iwai, chefe de produtos da Easy Taxi.

Após as palestras, os participantes puderam testar o carro e o caminhão nas ruas do campus. “Eventos como este são importantes para entender como a empresa pode se aproximar da universidade e contribuir nos aspectos que ela necessita. Quem ganha com isso é a tecnologia e a sociedade", revela Felipe Albaladejo, instrutor de treinamento da Jaguar/Land Rover.

Participantes puderam pegar carona em carro que anda sem motorista

“Acredito que o mais importante é ver a formação de especialistas na área aqui no Brasil e na USP, que é um centro de excelência em pesquisa. Esses profissionais são formados para que possamos desenvolver os trabalhos dentro do nosso contexto”, finaliza Argemiro Costa, gerente de pesquisa e desenvolvimento da Pirelli.

Texto: Henrique Fontes - Assessoria de Comunicação ICMC/USP

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Veículo autônomo desvia de obstáculos e planeja rota

Pesquisadores do Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação (ICMC) da USP, em São Carlos, desenvolveram um sistema de navegação autônoma para veículos terrestres, com foco em ambientes não estruturados, como áreas agrícolas e vegetação em campo aberto. Esse método de navegação permitiu o planejamento do caminho a ser seguido pelo veículo e a percepção de futuros obstáculos.

Sistema de navegação autônomo foi aplicado no carro elétrico CaRINA I

O estudo é o resultado da dissertação de mestrado Navegação de veículos autônomos em ambientes externos não estruturados baseada em visão computacional, do cientista da computação Rafael Luiz Klaser, que teve orientação do professor Fernando Santos Osório e financiamento da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp) e do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Sistemas Embarcados Críticos (INCT-SEC).

Segundo Klaser, os veículos autônomos fazem parte da robótica móvel, e o que os caracterizaram é o fato de se deslocarem por um determinado ambiente por conta própria. Podem ser veículos construídos para esse fim ou um veículo convencional adaptado para a navegação autônoma. “Eles funcionam como um motorista do veículo, porém interligados à própria estrutura mecânica, controlando a aceleração, frenagem e o esterçamento”.

A pesquisa focou no cenário não estruturado, como um campo aberto com vegetação, que torna o mapeamento e localização mais críticos porque não contém padrões bem definidos. Ao contrário do ambiente estruturado, no qual há referenciais como o cenário urbano com ruas, construções.

Desenvolvimento do sistema - Klaser explica que o sistema de navegação autônomo foi desenvolvido por meio da plataforma ROS (Robot Operating System), um conjunto de ferramentas e bibliotecas de software de código aberto, empregado por grupos de pesquisa em robótica. “Uma vez que o sistema de percepção mapeie os obstáculos visíveis, uma trajetória livre de colisão é planejada, a qual o veículo é comandado para seguir e isto ocorre continuamente até o veículo chegar ao destino indicado”.

A aplicação do sistema foi realizada no carro elétrico chamado CaRINA I, do ICMC, um típico carrinho usado em campos de golfe. Ele foi equipado com uma câmera estéreo, que funcionou como sensor responsável pela percepção do veículo, um GPS para localização, uma unidade de medida inercial para orientação (equipamento que mede os eixos de deslocamento de um corpo), e os atuadores responsáveis por acelerar e esterçar o volante.

Antes de testar o sistema de navegação autônomo no CaRINA I, foi feito um trabalho de simulação do veículo, dos sensores e do ambiente. “Essas simulações permitiram verificar o sistema e desenvolver os algoritmos de forma segura sem comprometer os equipamentos. Também com simulação se pode efetuar um maior número de testes e cenários, assim mais pesquisadores poderão utilizar a plataforma e replicarem os experimentos”, ressalta o pesquisador.

Entre os diferenciais da sua pesquisa está a adoção de um modelo probabilístico de ocupação do espaço que permite atualização contínua da presença dos obstáculos.

“Os dados produzidos pela câmera estéreo acoplada no veículo geram ruídos e degradação à medida que os objetos estão mais afastados. Com esse modelo probabilístico, é possível modificar a certeza que se tem de um determinado conjunto de obstáculos à medida que o veículo se aproxima deles. Outro aspecto interessante é que o modelo é independente do sensor utilizado e permite a fusão de sensores desde que forneçam a informação da posição tridimensional”, aponta Klaser.

Segurança - A aplicação de veículos com sistema de navegação autônoma traz aumento da segurança na capacidade de operar de forma ininterrupta em atividades repetitivas e de risco operadas manualmente, segundo o pesquisador. “Há casos em que o risco das atividades e até mesmo as condições do ambiente as tornam perigosas, situações nas quais um veículo autônomo pode ser utilizado”.

Klaser ressalta que a tecnologia dos veículos autônomos já reflete na indústria automobilística e já pode ser usada pelas pessoas no seu dia a dia. “Uma quantidade crescente dos chamados sistemas de apoio ao motorista vêm sendo disponibilizados, como o estacionamento, avisos de pontos cegos nos retrovisores, controle de velocidade e até a frenagem em caso de iminência de colisão traseira”.

Texto: Hérika Dias - Agência USP de Notícias

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Veículo autônomo executa manobras de baliza

Pesquisa realizada no Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação (ICMC) da USP, em São Carlos, conduzida pelo cientista da computação Marcos Gomes Prado, desenvolveu um sistema inteligente capaz de executar baliza, ou seja, manobras de estacionamento em veículos autônomos. O sistema pode localizar vagas de estacionamento, conceber uma trajetória e conduzir o veículo para a execução do percurso, estacionando na vaga.

Veículo autônomo dotado de sistema inteligente utilizado na pesquisa

O objetivo da dissertação de mestrado Planejamento de trajetória para estacionamento de veículos autônomos, orientada pelo professor Denis Fernando Wolf, foi desenvolver um sistema apto a planejar trajetórias viáveis de execução para veículos autônomos. O foco foi especificamente planejar as manobras para estacionamento em vagas que poderiam ser paralelas, perpendiculares ou diagonais, com 45 graus de angulação.

“Nesse trabalho foi utilizado um veículo elétrico dotado de sensores. Por meio dos sensores foi montado sistemas de localização, mapeamento e controle. Dessa forma, o veículo foi capaz de detectar espaços vagos ao seu redor e classificar esse espaço como uma possível vaga de estacionamento. Após encontrar um vaga, o sistema constrói uma trajetória que guia o veículo até dentro da vaga encontrada”, explica Prado.

Veículo autônomo é um tipo de robô móvel, que pode ser terrestre, aéreo ou aquático. Esse veículo pode perceber um ambiente semi-estruturado, por meio de sensores, e tomar decisões sem a intervenção humana. Desta forma, o veículo pode locomover-ser no ambiente usando as regras computacionais de seu sistema como parâmetro.

“Um ambiente semi-estruturado pode ser considerado um local previamente conhecido, com características bem definidas, mas que também pode sofrer modificações. Um exemplo, como foi utilizado no trabalho, pode ser um local específico para estacionamento. Nesse contexto pode-se considerar a existência de outros veículos, pessoas, paredes e esses são obstáculos que os sensores devem detectar”, explica Prado. No entanto, o estudo descartou outros obstáculos que não estariam presentes no contexto de estacionamento, limitando as possibilidades, que podem ser infinitas na vida real.

O desenvolvimento da pesquisa aconteceu no Laboratório de Robótica Móvel do ICMC da USP (LRM/ICMC/USP), local que abriga diversas pesquisas no campo da robótica móvel. A pesquisa foi desenvolvida no período de dois anos, com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes) e da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp). O planejamento de trajetória para estacionamento de veículos autônomos foi elaborado dentro de um projeto mais amplo, chamado de CARINA (Carro Robótico Inteligente para Navegação Autônoma).

Todas as pesquisas relacionadas ao CARINA são desenvolvidas pelo Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Sistemas Embarcados Críticos (INCT-SEC) que tem sede no ICMC recebem financiamento da Fapesp, da Coordenação de Aperfeiçoamento Pessoal em Nível Superior (Capes) e Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq).

“O sistema desenvolvido poderia ser aplicado em veículos de passeio, como o intuito de tornar mais fácil a tarefa de estacionar um veículo. Além disso, o sistema pode ser modificado e utilizado em veículos autônomos para resolver o problema de planejamento de trajetória para tarefas específicas”, explica Prado, em referência às possibilidades de aplicação do sistema desenvolvido. O diferencial do trabalho é o fato de um mesmo sistema tratar os três tipos de vagas: paralela, perpendicular e diagonal. “A visão geral da criação de veículos autônomos, que também está presente neste trabalho, é auxiliar o condutor ou até mesmo substituí-lo visando melhor comodidade, segurança e acessibilidade. Pessoas idosas e pessoas com necessidades especiais serão beneficiadas com esse tipo de trabalho”, conclui.

Texto: Rúvila Magalhães - Agência USP de Notícias

Foto: Divulgação

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