Com promessas em termos de eficiência, redução de custos e aumento da segurança, as máquinas autônomas estão destinadas a exercer um impacto profundo no ambiente das operações fora de estrada, desafiando os modelos atuais de produção no que tange ao porte dos equipamentos e ao papel de concessionárias e OEMs, bem como do operador.

Embora seja historicamente hesitante na adoção de tecnologias inovadoras, o setor de máquinas pesadas passa por mudanças significativas, uma vez que os veículos autônomos alteram drasticamente a natureza da atividade. O equipamento autônomo do futuro aprofunda o conceito de ciclo de trabalho, enquanto as máquinas teleguiadas são manobradas por simuladores, por vezes instalados a milhares de quilômetros de distância.

Os primeiros testes com pesados autônomos começaram em 1990, no Japão. No entanto, o processo deflagrou-se efetivamente com o lançamento do Sistema de Gestão de Frotas (FMS) para minas, ainda no final dos anos 80, tornando-se a base para a plataforma de tecnologia autônoma da Komatsu.

Já a primeira instalação comercial ocorreu em 2007, no Chile. Apenas um ano mais tarde, foi lançado um novo sistema para operação de minério de ferro na Austrália. A partir de um centro remoto de operações em Perth, os trabalhadores operam veículos autônomos de mineração a mais de 1.200 km de distância. Em 2013, a Komatsu introduziu o primeiro trator com controle automatizado da lâmina.

Cinco anos depois, a fabricante já havia movimentado mais de 2 bilhões de toneladas, com uma frota de 130 caminhões totalmente autônomos distribuídos por sete pontos operacionais – seis deles totalmente automatizados. Em junho de 2020, esse número saltou para 3 bilhões de toneladas, movimentadas por 251 caminhões.

Em outro exemplo, a Caterpillar duplicou a quantidade transportada em 16 meses desde que atingiu 1 bilhão de toneladas, em novembro de 2018. Atualmente, a fabricante conta com 276 caminhões autônomos, que já percorreram mais de 67,5 milhões de km.

ATUALIDADE

Em nível mundial, os veículos autônomos detêm uma participação inferior a 1% do total de vendas de equipamentos. Considerando que as vendas globais devem crescer a uma taxa de 2,5% ao ano até 2022, é de se esperar que essa fatia de mercado duplique nos próximos dois anos, juntamente com um crescimento exponencial na adoção desses equipamentos.

Uma mescla de sensores de localização, imagem e telemática ajuda os veículos a operar sozinhos, ainda sem conseguir replicar tudo o que um humano vê e sente dentro da cabina do equipamento. Mas alguns veículos automatizados do tipo shuttle já estão sendo utilizados em muitos países, assim como modelos autônomos agrícolas e florestais que começam a ser desenvolvidos pela indústria.

O setor florestal, especificamente, mostra um progresso limitado na automatização, em grande parte devido às condições de trabalho, em áreas consideravelmente maiores que outros setores. Frequentemente, a operação encontra-se em áreas remotas, com declives íngremes e terrenos acidentados. Nessas áreas, não existem torres de telefonia ou redes Wi-Fi, de modo que a comunicação é cara, com limitada largura de banda. No entanto, espera-se que a próxima geração de satélites de baixa órbita terrestre (LEO) resolva o problema.

Na mineração, a mina de ouro subterrânea Syama (no Mali) tornou-se a primeira operação totalmente autônoma do mundo. Concebida em parceria com a Sandvik, a frota inclui caminhões, carregadeiras e perfuratrizes totalmente automatizados. A mina pode operar 24 horas por dia, com todas as operações supervisionadas a partir de um centro remoto de operações.

No geral, as soluções são aplicadas na realização de tarefas repetitivas, como despejo de concreto, alvenaria, solda e demolição. Escavação e outros trabalhos de preparação também são realizados por equipamentos autônomos e semiautônomos.

PRECISÃO

Os desafios para o equipamento autônomo variam significativamente à queles referentes aos automóveis. No campo, na mina ou no canteiro não existem faixas de rodagem ou meio-fio para ajudar, nem sistema LiDAR de referência para manter o veículo na pista. Para uma escavação de precisão, em primeiro lugar a máquina precisa saber onde está. E o sistema de geoposicionamento (GPS) mantém a precisão somente na faixa de 6 a 10 m, fornecendo informações sobre o trajeto somente quando o veículo está em movimento.

Tais limitações podem ser superadas utilizando-se soluções como GPS Diferencial (DGPS) ou GPS Cinemático em Tempo Real (RTK). Ambos requerem GPS estacionário local, que compara a localização conhecida com a localização calculada pelo GPS. A partir dessa informação, é possível fazer correções, transmitindo-as aos outros receptores GPS móveis do veículo, o que resulta em uma solução mais precisa, de cerca de 10 a 30 cm. Assim, a limitação do GPS é superada com a utilização de dois receptores GPS na máquina, com antenas separadas por uma distância razoável (de 1 a 2 m).

Para complementar o conjunto GPS e RTK, é instalada uma Unidade de Medição Inercial (IMU), normalmente localizada no veículo. Essa solução faz cálculos da aceleração linear (Acelerômetro), da taxa de rotação (Giro) e, por vezes, também do campo magnético em três dimensões.

Em zonas de trabalho altamente controladas, os algoritmos primários compõem uma instalação de controle centralizado, mas que requer monitoramento humano em tempo real. Os caminhões autônomos operam com tal precisão replicável que os engenheiros já promovem a “vetorização” ao trabalho, criando algoritmos que deslocam a rota de transporte lateralmente por cerca de um metro, para evitar que os caminhões usem rotinas na via de transporte.

Em comparação com as aplicações na mineração, os robôs agrícolas são frequentemente menores e concebidos para operar de forma autônoma. A tecnologia de visão mecânica é um aspecto essencial nesses robôs, permitindo-lhes localizar, identificar e tomar decisões inteligentes específicas para cada cultura. A visão mecânica utiliza cada vez mais algoritmos de aprendizagem da máquina, permitindo que a tecnologia exceda de longe o desempenho dos algoritmos convencionais, bem como os agrônomos humanos.

ROBOTIZAÇÃO

Esses conceitos de robôs modulares para fins agrícolas podem desempenhar numerosas tarefas, como monitorar o processo de crescimento das plantas, distribuir sementes e fornecer nutrientes. Os sensores, baseados em câmeras multiespectrais e termógrafos, são particularmente importantes para monitorar as condições do solo.

Sensores de localização, imagem e telemática ajudam os veículos a operar sozinhos

Muitos robôs já avançaram em capacidade, oferecendo maior velocidade de trabalho, levantamentos mais robustos, maior tempo de operação e transporte de cargas mais pesadas, por exemplo. Os implementos robóticos mais simples, que utilizam a tecnologia de visão em linha, já estão maduros e não são incomuns em culturas orgânicas. Os avanços na tecnologia ótica também estão transformando os implementos tracionados em ferramentas inteligentes capazes de tomar medidas específicas e precisas na lavoura.

Embora uma variedade de tecnologias esteja disponível para os projetistas de veículos autônomos – incluindo radar, GPS, GNSS, LiDAR, ultrassom, infravermelho e vídeo –, outros problemas inibem o caminho em direção à autonomia, como poeira e condições atmosféricas. O clima não só altera a forma como a máquina deve se comportar no ambiente, como ainda reduz a precisão dos sensores. Uma solução para o impasse pode estar na redundância – ou seja, no uso de mais sensores de backup.

RETORNO

Embora a implementação de um sistema autônomo possa custar em média US$ 13 milhões para uma frota com dez caminhões e 15 veículos de apoio, os benefícios em produtividade podem chegar a US$ 19 milhões.

O cálculo indica que o investimento em tecnologia autônoma acaba por se pagar, e com lucratividade. “A máquina autônoma melhora a produtividade”, crava Erol Ahmed, diretor de comunicações da Built Robotics. “Essa tecnologia utiliza menos combustível e move-se com mais eficiência, o que prolonga sua vida útil, pois reduz a manutenção e evita o desgaste prematuro.”

Equipamentos robóticos da Built Robotics, diz ele, funcionam com a mesma velocidade de resposta de uma pessoa. “Ao automatizar algumas tarefas, os profissionais qualificados podem trabalhar em tarefas mais complexas ou deslocar-se para áreas onde são mais necessários”, prossegue. “A automatização também permite que os canteiros funcionem além do horário normal ou executem tarefas em paralelo e mais rapidamente.”

Do mesmo modo, a tecnologia autônoma pode transformar o parque de máquinas, estimulando a adoção de soluções compactas. De fato, a eliminação da sobrecarga do condutor é a base do conceito de ‘enxame’. Hoje, ainda há uma enorme diferença de produtividade entre os veículos de alta potência e as frotas de robôs.

No entanto, essa diferença deve diminuir, uma vez que há uma margem substancial para melhorias nos autônomos. “Quando pensam em robôs, as pessoas sempre pedem para aumentar os rendimentos ou baixar os custos, mas nem sempre esse é o caso”, diz Eldert van Henten, professor da Wageningen University, na Holanda. “Os robôs oferecem tempo para que o agricultor se dedique apenas à gestão de seus negócios”, ressalta.

Há ainda a questão da segurança. Relatório encomendado pelo CAVCOE prevê que a utilização de veículos autônomos e conectados possa evitar 80% das colisões, ferimentos e fatalidades nos canteiros e minas. “As máquinas autônomas podem realizar trabalhos remotos ou em locais de difícil acesso, mantendo as pessoas fora da linha do perigo”, aponta o documento.

Até agora, as máquinas autônomas são operadas em circuitos restritos, nos quais a proximidade ao equipamento é extremamente controlada. De todo modo, as tecnologias de sensores e a capacidade de processamento precisam avançar mais na identificação de obstáculos.

FUTURO

Nos próximos cinco anos, a tendência de automatização e eletrificação deve se acelerar. Dentro de dez a 15 anos, com base em tendências exponenciais, estima-se que mais de 80% das máquinas pesadas terão funcionamento autônomo e serão alimentadas por comboios de energia elétrica.

Já não há dúvidas de que a transição para operações totalmente autônomas e elétricas é uma oportunidade comercialmente viável. Para alguns, a chave do sucesso reside no desenvolvimento de plataformas robóticas mais robustas e de inteligência artificial (IA) associada, abordagem que já se reflete nos protótipos trazidos recentemente ao mercado.

Os sistemas autônomos de transporte terão um impacto especial na mineração do futuro, por exemplo. Os caminhões sem condutor funcionam de forma contínua e mais eficiente do que os seus homólogos tripulados, melhorando desde a segurança até a manutenção. Também podem alterar por completo o planejamento de exploração mineral. O turno de produção de 8 horas, por exemplo, foi baseado nos níveis de fadiga dos trabalhadores, mas pode se basear nas necessidades de reabastecimento da escavadeira, por exemplo. Ou, na verdade, desaparecer por completo.

Por volta de 2030, espera-se que a IA tenha atingido um ponto em que sua capacidade exceda a de um ser humano em muitas tarefas, incluindo a operação de equipamentos pesados. A tecnologia permitirá que a maioria – senão todas – as aplicações sejam automatizadas. Isso provavelmente será obtido por meio de uma remodelação significativa das máquinas (sem cabine), em vez de robôs humanoides para operar a atual geração de veículos pesados.

Uma vez que os AVs são adequados à propulsão elétrica, a outra grande tendência é o deslocamento da propulsão por combustíveis fósseis para veículos elétricos a bateria, embora as células de combustível e de hidrogênio também sejam uma alternativa viável.
Seja como for, o mundo está progredindo em direção à automatização em suas múltiplas configurações. As inovações em sensores, inteligência artificial e conectividade, juntamente com o aumento da produtividade e outros benefícios, irão transformar a indústria de equipamentos fora de estrada no médio prazo.

A segunda geração de produtos já amadureceu em comparação à anterior, tanto em termos de concepção, tamanho e velocidade, como em recursos de IA, sensoriamento, sistemas etc. E as pesquisas vão continuar. Daqui para a frente, a tarefa é manter-se aberto às novas tecnologias e – talvez ainda mais importante – vê-las como uma possibilidade de criação de valor, e não apenas como competição.

*Jeff Jurgens é diretor de gestão de produtos da AEM (Association of Equipment Manufacturers). Tradução e adaptação: Redação M&T

Automação pode criar nova força de trabalho

Tradicionalmente, a construção tem uma relação complicada com a tecnologia, mas a escassez de mão de obra qualificada, aliada à crescente demanda por projetos de construção, tem forçado a indústria a reavaliar essa relação para reduzir o déficit.

Nessa linha, a adoção de soluções autônomas surge como uma forma de atenuar a falta de operadores. “As aplicações autônomas podem proporcionar oportunidades de emprego a uma nova força de trabalho, uma vez que tornam a carreira de operador mais acessível”, diz Fred Rio, gestor de produtos digitais da Caterpillar. “E a tecnologia também aumentará o número de postos de trabalho em serviços mais analíticos.”

Para a Dr^a Carla Boehl, docente da Curtin University, na Austrália, o entusiasmo dos estudantes é patente em relação às novas tecnologias. “Querem fazer teses e aprender mais sobre esse campo”, diz ela. “Na pós-graduação, começamos a pesquisar áreas como manutenção e sistemas de automação, relacionando uma grande quantidade de dados e buscando criar algoritmos que possam ser usados para desenvolver novos sistemas.”

Saiba mais:
AEM: www.aem.org