Testes no terreno de Veículos Aéreos Não Tripulados em Redes de Transmissão

Testes no terreno de Veículos Aéreos Não Tripulados em Redes de Transmissão

por J. Gomes-Motaa, R. Oliveiraa, S. Antunes,a,b

aAlbatroz Engineering, bUniversidade da Beira Interior, Portugal

aceite para publicação na International Conference on Condition Monitoring, Diagnosis and Maintenance - CMDM 2015, 5-8 de Outubro, 2015, Bucareste, Roménia, cmdm2015.org

Resumo

Os autores utilizam a sua experiência na concepção de equipamentos para helicópteros dedicados a inspecções de linhas aéreas, aeronáutica e operações de campo, para implementar veículos aéreos não tripulados (UAV), geralmente chamados de drones, para inspecionar linhas eléctricas, com o intuito de manter as mesmas funções e expandir capacidades presentes sempre que possível. O foco é mantido no payload, nos sistemas, nas funções de inspecção, na operação e no controlo da missão; o desenvolvimento do UAV e o controlo em tempo-real está para além do âmbito deste artigo. Os autores também se pronunciam sobre problemas encontrados durante ensaios de campo, que comprovaram ser importante quando se projectam procedimentos de inspecção novos ou de transição de operação com helicóptero.

O artigo começa com uma visão geral sobre aeronavigabilidade, sendo o ponto central o quadro regulamentar europeu e a discussão sobre as possibilidades de utilizar multicopteros para as inspecções locais e utilizar pequenas aeronaves para além da linha de visão da operação. Seguindo-se uma descrição do UAV como um componente de um sistema, incluindo estação de controlo terrestre, vetores, payloads, operadores, funções de inspecção e de como a missão e as suas restrições moldam o desenvolvimento da solução. Posteriormente, é apresentado um ensaio de campo com UAV de asa fixa e asa rotativa; trata-se principalmente de uma inspecção visual; não obstante de que também são introduzidos o LiDAR e os infra-vermelhos.

A seção final discute o roteiro para introduzir UAV no mercado de inspeção, quer substitua ou complemente os outros métodos de inspecção; operação em segurança para o equipamento do UAV e para os humanos; ligações sem fios, controlo em tempo-real e interfaces de usuários.

 

Palavras-chave:

Veículos aéreos não tripulados, Sistemas para aeronaves pilotadas remotamente, Drones, Linhas eléctricas aéreas, inspecção, segurança, aeronavigabilidade.

UAV

"Ponto de vista" do UAV durante inspecção

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

Avaliação unificada de estado para avaliação de fiabilidade de redes de energia aéreas

Avaliação unificada de estado para avaliação de fiabilidade de redes de energia aéreas 

por João Gomes-Mota

apresentado na International Conference on Condition Monitoring, Diagnosis and Maintenance - CMDM 2011, Bucareste, Roménia, 19 a 23 de Setembro, 2011, cmdm2011.org .

 

Resumo

As inspecções de linhas eléctricas aéreas têm tendência a incorporar cada vez mais funções à medida que a necessidade de melhoria contínua da qualidade de serviço com recursos limitados. Simultaneamente, as tendências actuais na gestão de activos e na sub-contratação («outsourcing») da manutenção induzem os gestores da rede a considerar as linhas como uma única entidade que deve ser examinada e cirurgicamente intervencionada; neste processo, abandona-se o modelo da cascata de equipamentos e sistemas em cascatas que são mantidas por diferentes grupos.

Estes motivos deram origem a uma nova abordagem à gestão dos activos em que as linhas são encadradas como indivíduos e as redes como uma população de linhas eléctricas e subestações. Reunindo os dois tipos de indivíduos, a população (a rede!) pode ser definida como uma estrutura co-dependente de um grafo em que os arcos são as linhas e os vértices as subestações. Deste modo, a fiabilidade de cada indivíduo depende da avaliação unificada do seu estado para fins de fiabilidade («unified status evaluation for reliability»). Para comparar pontos de interesse encontrados em diferentes funções de inspecção aplica-se um conjunto limitado de regras de classificação para que todos os dados encontrados sejam expressos em formatos comparáveis. No artigo ilustram-se métodos de classificação para as funções de termografia, distância à vegetação e inspecções visuais. São referidos os benefícios e as limitações do método.

Um índice de risco é calculado a partir da classificação semi-quantitativa dos pontos de interesse detectados em cada par apoio-vão. Então, o método é propagado para toda a linha eléctrica (uma sequência de pares apoio-vão) e, posteriormente a conjuntos de linhas.

 

Palavras-chave

 Linhas aéreas, inspeção, LiDAR, vídeo, rastreamento, sistemas em tempo real, segurança, helicópteros, interfaces de usuário.

Esforço de manutenção de vegetação crescente (kms no eixo vertical) à medida que se reduz o tecto aceitável do índice de risco (índice de risco no eixo horizontal)

Rastreamento de linhas aéreas para inspecções automáticas ou aperfeiçoamento interface de usuário

Rastreamento de linhas aéreas para inspecções automáticas ou aperfeiçoamento interface de usuário

por João Gomes-Mota, Tiago Gusmão

apresentado na CARPI 2010 - 2010 1st International Conference on Applied Robotics For the Power Industry, Montreal, Canada, 5 a 7 de Outubro, 2010, carpi2010.org .

Resumo

A inspecção de manutenção de linhas eléctricas depende das técnicas de processamento de sinal e robótica em tempo real. Os autores mostram como tirar partido de hardware e software dedicado para melhorar os processos de inspecção. As soluções inicialmente desenvolvidas em laboratório e sistemas terrestres serão posteriormente transferidas para sistemas aéreos quando se verificar o cumprimento das exigências de aeronavegabilidade.

O seguimento de linhas eléctricas aéreas baseia-se num processo em duas fases: um seguimento grosseiro por meio de um LiDAR seguido de um seguimento fino por vídeo. O seguimento automático das linhas permite que parte dos registos e inspecções sejam feitas automaticamente enquanto os inspectores se focam em análises de nível superior.

O processamento em tempo real é essencial para assistir os inspectores a bordo dos helicópteros e melhorar a segurança de vôo. A investigação de acidentes de helicópteros foi fundamental para a criação de ferramentas práticas que minimizem o risco de inspecção. Além disso, os dados em tempo real servem ainda para aumentar a confiança dos inspectores nos sistemas robóticos, melhorando a eficiência humana e, reciprocamente, melhorando os algoritmos robóticos com a sabedoria humana.

Palavras-Chave

Linhas aéreas, inspecção, LiDAR, vídeo, rastreamento, sistemas em tempo real, segurança, helicópteros, interface do usuário

Etapas do istema de seguimento de vídeo: imagem (em cima, à esquerda); regiões classificadas da imagem (em cima, à direita); Transformada de Hough (em baixo, à esquerda); direcções das rectas principais (em baixo, à direita)