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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

Implementação de sistemas de inspeção de linhas alternativos ao helicóptero

Implementação de sistemas de inspeção de linhas alternativos ao helicóptero

por J. Gomes-Mota, R. Oliveira, S. Antunes,

Albatroz Engenharia

 

apresentado na Conferência da ERIAC - Encuentro Regional Iberoamericano de Cigré, Argentina, 17-21 Maio 2015, ERIAC .

Distinguida como "melhor contribuição técnica" no Comité de Estudos B2 - Linhas Aéreas, a partir de um conjunto de 21 Contribuições Técnicas oriundas de 5 países.

 

Resumo

Este artigo surge na senda de dois artigos dedicados à conceção de sistemas de inspeção de linhas elétricas apresentados no XII ERIAC (2007, Brasil) e no XIV ERIAC (2011, Paraguai). Em 2015, os autores apresentam as primeiras implementações de sistemas de inspeção alternativos aos helicópteros que permanecem como a ferramenta de referência para inspeção de linhas de transmissão.
O desenho dos novos sistemas obedeceu a três exigências fundamentais: 1) continuidade de interpretação entre os diferentes métodos de inspeção; 2) manutenção das características de integração, flexibilidade e dados em tempo real herdados dos sistemas heli-transportados e 3) complementaridade de métodos de inspeção.
O sistema de inspeções terrestres a partir de um veículo terrestre foi introduzido em 2011 e melhorado: na modalidade atual, dispõe de registo vídeo 2MPixel e um mini-LiDAR com cerca de 50m de alcance na deteção de cabos, associado a GPS e sensor de orientação. Este sistema foi declinado numa versão portátil que pode ser transportada e usada em locais de difícil acesso.
Os sistemas baseados em veículos aéreos não tripulados [VANT] de asa rotativa desenvolveram-se muito desde 2011, sobretudo os do tipo "multicopter" com um arranjo simétrico de hélices. E se, por um lado, esta expansão e banalização lançou no mercado as primeiras soluções "práticas" para inspeção de infraestruturas, nomeadamente torres de linhas elétricas, torres eólicas e chaminés de centrais térmicas, por outro, evidenciou as limitações de eficiência operacional resultantes de limites regulatórios ao vôo, das características físicas dos sistemas e do desempenho dos operadores. A solução tem sido limitar as inspeções às modalidades visuais, tirando partido da leveza e qualidade dos sistemas de imagem digital e da enorme melhoria entretanto registada na largura de banda e cobertura das redes sem fios.
Também os VANT de asa fixa foram usados para inspeções de linha experimentais ou de I&D. Neste caso, a ajuda de pilotos automáticos permite estender o alcance e tempo de trabalho dos sistemas enquanto reduz a fadiga do piloto que exerce apenas a função de supervisor, guardando-se para as fases especiais do vôo: a descolagem, calibração de sensores e aterragem e a resolução de exceções.
A exigência de compatibilidade dos produtos de inspeção pode contribuir para limitar alguns desenvolvimentos de sistemas mas pode servir também para reforçar a complementaridade entre modos de inspeção. Neste caso, o que se pretende é que os produtos ou métodos de análise de cada modo de inspeção sejam complementares aos outros para assim ver a linha sob um novo ponto de vista. Além da complementaridade nos modos de inspeção (incluindo variação de veículos, sensores e procedimentos) pode também ser útil introduzir heterogeneidade nas frequências e modos de inspeção, adaptando os ritmos a cada um dos fenómenos a observar. A simplificação ou supressão de modos de inspeção pode contribuir significativamente para o aumento da eficiência económica da inspeção e, por vezes, até para o aumento da sua eficácia técnica pela redução de restrições ou incompatibilidades entre modos de inspeção.

Palavras chave:

Inspeção – Helicóptero – VANT - Todo-o-terreno - Processamento em tempo real - Interface homem-máquina – Ergonomia – Autonomia – Aeronavegabilidade.

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Inspecção com vídeo visível

Inspecção com câmara de infra-vermelhos

Exemplos de dados recolhidos com sistemas de pequeno porte alternativos ao helicóptero