Target-fencing para inspeções em linhas elétricas com aeronaves pilotadas remotamente

Target-fencing para inspeções em linhas elétricas com aeronaves pilotadas remotamente

João Gomes-Mota, Sandra Antunes, Albatroz Engenharia

Este trabalho propõe um procedimento cuidadoso e seguro de inspeções de linha de eléctricas com um sistema de aeronaves pilotadas remotamente (VANT) com base na dupla utilização dos sensores de carga útil: O objectivo da missão e conexão com controladores autónomos de "ligar" a aeronave às infra-estruturas.

1. Motivação

Os autores têm estado envolvidos com a manutenção de linhas elétricas durante 12 e 7 anos, respetivamente. A inspeção de linha elétricas é um método de manutenção preventiva para a deteção precoce de peças com desgaste ou com defeito nas linhas de energia, riscos ambientais em torno da linha e monitorização do desenvolvimento da vegetação na faixa de servidão. Na Europa e na América do Norte, helicópteros com uma equipa especializada são o vector preferencial para executar esta tarefa, assim como em muitos outros países. Isto requer um voo próximo das linhas elétricas a uma velocidade reduzida e, em caso de linhas de distribuição rurais, voar rente ao solo e logo acima da copa das árvores (um operador afirma estar a viver durante “50 anos a 50 pés” das linhas e também do solo).

Nos últimos anos, as preocupações com a segurança, o ruído e os custos de operação, a um nível mais baixo, e inovações em comunicações sem fio, aeronáutica, robótica e interfaces homem-máquina a um nível mais alto, levaram a ter em consideração um sistema de aeronaves pilotadas remotamente [Remotely Piloted Aircraft Systems - RPAS] como uma alternativa aos helicópteros para inspecionar linhas elétricas. No entanto, se os pilotos de helicóptero são treinados para se manterem longe das linhas elétricas, todos os manuais de operação dos RPAS são inflexíveis: manter-se afastado de todos os tipos de linhas elétricas. Para realizar inspeções de manutenção de linha elétricas, a exigência é o oposto: manter-se sempre perto das linhas de energia.

 

2. Introdução

A maioria das diretrizes e regulamentos para operações civis com RPAS enfatizam a necessidade de segurança. Em termos de segurança, a principal preocupação é a proteção das pessoas, propriedade e o meio envolvente no solo, e em segundo lugar a aeronave não tripulada [UAV]1.  Permissões para realizar missões além da linha de vista [BLOS] são raras e vêm com um quadro mais apertado de restrições.

Um caminho apresentado pela FAA para discussão pública é o “geo-fencing” do UAV, através de prova de que a aeronave não tripulada pode ser confinada a um volume definido por coordenadas geográficas e limites máximos acima do nível do solo e que manter-se-á dentro deste volume pelos seus próprios meios.  Para provar a capacidade do “geo-fencing”, o UAV deve lidar com o fracasso, degradação ou a interferência nefasta dos sinais do Sistema de Navegação Global por Satélite  [GNSS] (por uma questão de segurança) e a degradação ou a perda de comunicações para a estação terrestre e piloto. Sob tais constrangimentos, utilizar um RPAS para efetuar uma inspeção de uma linha elétrica, ou qualquer outra infra-estrura linear, para este caso, exigirá uma sucessão de NOTAM (Notice to Airmen ou circular de informação aeronáutica), fechando pequenos volumes de espaço de ar que contém o volume de confinamento em torno dele e durante a inspeção.

 

3. Contribuições

Os autores propõem uma extensão deste princípio, no caso dos RPAS a inspecionar linhas elétricas. Como a tarefa de inspeção envolve sensores capazes de medir distâncias entre objetos no espaço tridimensional, tais sinais poderão ser utilizados em tempo-real para controlar a distância desde os UAV até ao alvo de inspeção (sendo esse uma linha elétrica, um oleoduto, ou outro qualquer). A tecnologia mais comum para este propósito é o LiDAR acoplado com um GPS e a um AHRS (Attitude and Heading Reference Systems). A maioria dos prestadores de serviços de inspeção a partir de helicópteros não processam tais dados em tempo-real devido à complexidade e esforço computacional que necessitam. Contudo, a empresa dos autores apresentou o PLMI (Power Line Maintenance Inspection) em 2007, que é um sistema para helicópteros cuja novidade para o mercado inclui as medições de distância em tempo-real às linhas, ao solo e a todos os objetos do meio envolvente, melhorando em primeiro lugar a segurança da tripulação e em segundo lugar a qualidade do serviço.

Se tais ferramentas forem combinadas com um modelo de supervisão dentro do piloto automático de um UAV, isso deverá assegurar que o UAV mantém-se dentro do volume específico do alvo e ao mesmo tempo certificar-se de que não se aproxime demasiado, para proteger as linhas e o UAV de contacto. Tendo como inspiração o “geofencing” os autores chamam-no de “target-fencing”.

 Enquanto a estrutura for continua, o UAV pode segui-la, baseando-se no target-fencing para restringir o UAV a uma distância segura do alvo e dentro do espaço aéreo confinado. Isto pode ser combinado com o geofencing para se aproximar e afastar da infraestrutura e para fornecer mapas para auxiliar a navegação e pontos de passagem seguintes. No caso de haver descontinuidades na infraestrutura (tais como cabos subterrâneos e oleodutos ou túneis rodoviários ou ferroviários), o UAV iria contar apenas com o geo-fencing, possivelmente associado com um comportamento de seguir as copas (ou o modelo digital de superfície a ser gerado em tempo-real), até que infraestrutura recomece e este volte a segui-la.

O artigo deve discutir os aspetos técnicos da implementação do "target-fencing" aplicada a UAV tipo multicopters. Deve ser introduzido a sua aplicação a UAV de asa fixa.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Target-fencing

Envelope de voo seguro para a inspecção de linhas eléctricas aéreas

Envelope de voo seguro para a inspecção de linhas eléctricas aéreas

por Sandra Antunes 1,2,3, Kouamana Bousson1,2

1Aerospace Science Department, University of Beira Interior, Covilhã, Portugal
2LAETA-UBI/AERO.G - Associated Laboratory for Energy, Transports and Aeronautics, Portugal
3Albatroz Engineering, Lisbon, Portugal

Resumo

Um controle de supervisão baseado no voo e em dados essenciais de sensores externos é proposto neste artigo para inspecções de linhas eléctricas áereas com quadricópteros. O primeiro requisito no desenvolvimento de sistemas aéreos é a segurança das pessoas e dos activos envolvidos. Os veículos aéreos envolvidos nas inspecções das linhas eléctricas aéreas, tripulados ou não tripulados, requerem o uso de sistemas precisos e robustos, e com uma supervisão constante da missão. Estes requisitos de voo são devidos ao facto de que as missões são desenvolvidas, na maior parte dos casos, em ambientes hostis e sempre com níveis de altitude e de velocidade reduzidos. Variáveis como: distância do veículo à linha; distância do veículo ao solo e velocidade instantânea de voo, aliadas ao envelope de voo do veículo, tornam as missões mais seguras e adicionam maior conforto nas decisões do piloto, quando e onde se pode executar uma boa missão. Os pilotos estão cientes do envelope de voo específico do veículo a operar, no entanto, durante o curso de voo, o compromisso da equipa para obter os melhores resultados possíveis de inspecção poderá deixá-los infringir os limites de segurança especificados no envelope de voo.

O trabalho proposto tem como objectivo melhorar a segurança das inspecções das linhas eléctricas aéreas e tarefas semelhantes, percebendo automaticamente condições de voo e criar um sistema de análise dos parâmetros que levam ao veículo perto dos limites de segurança do envelope de voo. Observando essa variáveis o sistema é capaz de enviar sinais de aviso aos inspectores de modo a que eles tenham tempo de informar o piloto e adoptar as devidas precauções de segurança.  No caso de sistemas autónomos, o problema inclui o controlo supervisionado a fim de monitorizar as variáveis críticas e verificar como estas influenciam o comportamento do veículo aéreo; e a utilização do controlo do filtro Kalman para pré-visualizar atitudes dinâmicas do quadricóptero e controlar a aeronave de modo a evitar a saia de segurança do envelope de voo. Na fase final do projecto, o objectivo é fornecer soluções integradas do PLMI (Power Line Maintenance System), tendo em consideração a utilização de veículos autónomos, o intuito é alcançar soluções que visam dar mais enfase à segurança.

A utilização do método semi-quantitativo de zonas (vermelho, laranja, amarelo e verde), possivelmente combinado com mais detalhes quantitativos deverão ser comunicados com a tripulação, directamente para o inspector que então transmitirá a informação ao piloto, e por sua vez, irá actuar sobre o controlo do veículo. A pesquisa termina com a concepção e a implementação de controladores automáticos para quadricópteros, com base na aprendizagem supervisionada nas fases anteriores.

 

A classificação de manobras perigosas inerentes às inspecções são necessárias para criar metodologias que culminam no nosso objectivo de desenvolver meios para controlar, monitorizar e supervisionar a inspeção das missões aéreas ou dos meios aéreos autónomos não tripulados. Para uma missão específica, a condição de monitorização de torres de alta tensão e de seus componentes foi considerada para este trabalho usando um quadricópteros.

A bibliografia dá-nos as equações características dos quadricópteros para descrever a atitude de voo do nosso veículo (com algumas considerações), contudo o envelope de voo seguro dos fabricantes não é conhecido. No geral, alguns parâmetros são reconhecidos, como máximo e mínimo da velocidade operacional ou altitude, e melhores condições para um voo mais favorável. 

Para ilustrar o envelope de voo seguro inicialmente foram consideradas duas variáveis de voo, altitude e velocidade – variáveis de desempenho da aeronave. No caso do quadricóptero a velocidade depende do ângulo de inclinação, para que possa aumentar ou diminuir de velocidade. Para representar os limites de desempenho da aeronave, são consideradas equações do quadricóptero e calculadas os máximos e os mínimos de cada altitude fixada ponto-por-ponto.

Em resultado deste trabalho, utilizando supervisão e métodos robustos de controlo em tempo real de voo, o sistema tem a capacidade de seguir um alvo e introduzir sinais correctivos mantendo distâncias de voo seguras, velocidades e dados de inspeção adquiridos com o intuito de serem armazenados. O esquema de controlo proposto foi implementado no nosso controlo de envelope de voo, desenvolvido para quadricóptero não tripulados. Resultados experimentais demonstraram uma clara melhoria sobre as missões de inspecção de linhas eléctricas aéreas, sendo mais segura a aproximação ao objecto alvo de inspecção.

Palavras-Chave

Autónomo, Envelope de voo, Linhas eléctricas aéreas, Robótica, Controlo de supervisão

Variáveis seguras consideradas nas inspecções de linhas eléctricas

Manutenção baseada no risco e gestão de tempo de vida das linhas aéreas

Manutenção baseada no risco e gestão de tempo de vida das linhas aéreas

por N. Pinho da Silva1, J. Casaca2, F. Azevedo 3, J. Gomes-Mota1, L. Campos-Pinto2

1 Albatroz Engenharia, 2 REN - Rede Eléctrica Nacional, 3 CENTRIA-FCT-Universidade Nova de Lisboa

apresentado na Conferência "Innovation for Secure and Efficient Transmission Grids" CIGRE Belgium 2014 , 12-14 Março, Bruxelas, Bélgica.

Resumo

O Operador do Sistema de Transmissão Português [ TSO - Transmission System Operator] lançou um programa de longo prazo para desenvolvimento de uma metodologia para otimizar a exploração e manutenção das linhas aéreas [ OHL - Over-Head Lines] baseada em modelos de risco e tempo de vida restante, a partir de informações de ativos , inspeção, manutenção e dados de terceiros. A metodologia deve fornecer estimativas de risco do dia seguinte e no próximo ano para operação e manutenção, respectivamente.

Os autores propõem uma combinação informações heterogéneas num modelo probabilístico que pode ser usado para encontrar políticas de manutenção, otimizando o compromisso entre redução de custos e qualidade de serviço. Ela aproveita os dados de campo de inspeções feitas a partir de helicóptero, o registos de eventos e os dados de terceiros. Essa abordagem é particularmente adequada à análise de risco das linhas pois estas estendem-se sobre territórios heterogéneos e estão sujeitas a múltiplos factores ambientais.

O procedimento considera a interação entre a OHL e o seu contexto espacio-temporal, afastando-se do método tradicional componente a componente para uma análise sistémica. Para lidar com a heterogeneidade coberto linhas de transmissão, a resolução espacial do modelo é orientada aos dados, variando de unidades administrativas portuguesas (maior) para o espaço físico (menor), de acordo com a forma como os dados são geograficamente modulados, enquanto a unidade de tempo pode variar de segundos a anos, satisfazendo assim os diversos requisitos tempo-âmbito do trabalho definido pela REN, o TSO em Portugal.

A metodologia suficientemente genérica para ser aplicado a diferentes contingências e diferentes intervalos temporais. O artigo mostra um exemplo de manutenção baseada no risco, considerando a fiabilidade da OHL sujeita a incêndios florestais, nevoeiro, e obstáculos como a vegetação.

 

Keywords

Manutenção e operação baseada em risco, Fiabilidade, Inspecção linhas aéreas, LiDAR

cigre2014be

Pontos de interesse de vegetação baseados em LiDAR (em cima) e ocupação do solo (em baixo)

Detecção automática de ninhos de cegonha em torres de MAT

 

Detecção automática de ninhos de cegonha em torres de MAT

por João Fernandes1, Maria Paula Queluz1, Tomás Brandão2, Francisco Azevedo3, João Gomes Mota3
1IT/IST/Universidade Técnica de Lisboa, 2IT/ISCTE-Instituto Universitário de Lisboa,3Albatroz Engenharia, Lisboa

apresentado na ConfTELE 2013, Castelo Branco, Portugal, 8-10 Maio, 2013.

 

Resumo

Este artigo propõe um método para a detecção automática de ninhos de cegonha no cimo de torres de linhas de muito alta tensão [VHV], usando dados de vídeo de inspecções de rotina de linhas eléctricas aéreas. O método inicia-se pela detecção das torres seguido pela busca de ninhos em cada uma das torres detectadas. No início, ambas as detecções são aplicadas a frames de vídeo consideradas independentemente. Posteriormente, a correlação temporal entre frames é explorada num esforço para melhorar os resultados. A detecção de torres baseia-se na busca de linhas rectas que correspondam ao modelo de torre. A busca de ninhos baseia-se na sua forma e cores típicas. Usando cinco vídeos com uma duração total de cerca de uma hora, o método foi capaz de detectar 83% das torres de linhas VHV e correctamente identificar as torres em risco (i.e., as torres com ninhos de cegonha).

Palavras-chave

Detecção de torres - detecção de ninhos- detecção de arestas - detecção de rectas - estimação do movimento

Multi – desafios e benefícios de inspecções de linhas aéreas integradas

Multi - desafios e benefícios de inspecções de linhas aéreas integradas

por Artur Matos André1, José Matos2, João Gomes-Mota3

1LABELEC SA (Grupo EDP), 2EDP Distribuição (Grupo EDP), 3Albatroz Engenharia SA

apresentado no CIRED09 - Sessão 20, artigo 0848, Praga, República Checa, 8 a 11 de Junho, 2009.

 

Resumo

A longa experiência da LABELEC nas inspecções aéreas de infravermelhos e visuais das linhas eléctricas aéreas da EDP Distribuição é agora enriquecida com a possibilidade de medir e localizar as distâncias anómalas entre os condutores e as árvores ou outros obstáculos. Isto foi alcançado usando uma solução Laser-Global Positioning System (GPS) que começou por ser desenvolvida na LABELEC e que mais tarde foi operacionalizada pela Albatroz Engenharia. Anteriormente, tinham sido feitas mediadas de distâncias aos obstáculos en linhas eléctricas aéreas de distribuição usando equipamentos de topografia aérea de alta qualidade mas também de alto custo. Agora, os pontos quentes detectados por termograifa e as anomalias visuais podem ser complemnentadas com medidas suficientemetne exatas das distâncias às linhas a a localização GPS correspondento, usando o sistema da Albatroz, apenas com um pequeno aumento dos custos operacionais. Os três tipos de inspecção podem ser efectuados num único vôo sobre linhas de transmissão e distribuição usando um helicóptero de custo operacional médio, como o Eurocopter Colibri EC 120B.

O futuro próximo pode trazer a integração da detecção do efeito de coroa e a visualização no sistema multi-funções da LABELEC melhorando ainda o nível de eficiência das actividades de manutenção.

 

Helicóptero de inspecções na descolagem