SISTEMA DE AERONAVES NÃO TRIPULADAS SIVANT - PARA INSPEÇÃO DE LINHAS DE TRANSMISSÃO J. F. A. G. Wavrik* G. J. Adabo** H. B. Foresti*** G. F. Amaral** A. S. R. de Oliva ** L. G. P. Vicente** *Companhia Hidroelétrica do São Francisco - CHESF **Instituto Tecnológico de Aeronáutica - ITA ***Centro de Estudos e Sistemas Avançados do Recife C.E.S.A.R. RESUMO A inspeção de linhas de transmissão de energia elétrica constitui-se em procedimento essencial na área de manutenção de linhas, especialmente quando se busca maximizar a disponibilidade do serviço e a eficiência energética. Tradicionalmente, a inspeção aérea é realizada com helicópteros tripulados que tecnicamente apresentam-se efetivos, embora tenham desvantagens, como por exemplo os elevados custos e riscos de acidentes. Esse trabalho apresenta uma solução baseada em um Sistema de Inspeção de Linhas de Transmissão através de Veículos Aéreos Não Tripulados SIVANT o qual consiste em dois veículos, um avião e um helicóptero, respectivamente, aeronaves de asa fixa e asa rotativa. As aeronaves são dotadas de câmeras giroestabilizadas, sensíveis aos espectros visível e infra-vermelho, de modo que possibilitam a identificação de diversos tipos de anomalias na linha de transmissão e na faixa de servidão. Através das imagens obtidas pela câmera sensível ao espectro visível pode-se identificar o crescimento da vegetação, a indevida utilização da faixa de servidão e defeitos aparentes nas torres e demais componentes da linha. A presença de pontos quentes em emendas de cabos e isoladores é detectada através das imagens obtidas pela câmera que opera no espectro infra-vermelho. As aeronaves realizam a inspeção de acordo com o plano de voo especialmente programado para cada linha de transmissão, levando-se em conta o local de decolagem e pouso, o traçado da linha, as posições das torres e o relevo do terreno. O controle da missão é realizado a partir de uma estação de controle em solo através da qual é possível monitorar o voo da aeronave através de telemetria, intervir na operação do VANT através de telecomandos e visualizar as imagens captadas pelas câmeras através de sinal de vídeo em tempo real. São também abordados aspectos relativos aos enlaces de comunicação, à segurança do voo e à regulamentação aeronáutica. Apresenta-se os primeiros resultados experimentais desse sistema discutindo-se sua qualidade e possibilidades de melhoria. PALAVRAS-CHAVE Manutenção Linha de Transmissão Inspeção Aérea Aeronave Avião Helicóptero VANT Aeronave Não-Tripulada SIVANT Infra-vermelho Imageamento 1 / 8
1. INTRODUÇÃO O avanço tecnológico no campo da miniaturização de circuitos elétricos, componentes e sistemas eletrônicos e de processamento de dados possibilitou que diversas aplicações para os Veículos Aéreos Não-Tripulados VANTs fossem desenvolvidas nas últimas décadas, apresentando um crescimento notável. Sendo o Brasil um país de proporções continentais, destaca-se dentre os potenciais de aplicação da tecnologia de sensoriamento remoto por VANTs: o monitoramento, a detecção, a caracterização e o mapeamento de eventos e processos, como é o caso específico do monitoramento e inspeção de Linhas de Transmissão de Energia Elétrica. 2. SISTEMA DE AERONAVE NÃO TRIPULADA Atualmente, a denominação internacional para o sistema baseado na aeronave não tripulada é RPAS - Remotely Piloted Aircraft System - Sistema de Aeronave Remotamente Pilotada. O RPAS possui três segmentos: Aéreo, Solo e Comunicações. A Figura 1 apresenta um diagrama de blocos típico de um sistema RPAS. 2.1 Segmento Aéreo É constituído pela aeronave (asa fixa ou asa rotativa), incluindo: fuselagem, superfícies aerodinâmicas, propulsão, controle autônomo de voo, comunicações e carga paga, que na aplicação pretendida consiste de um sistema de aquisição de imagens de vídeo, pelo qual são capturadas imagens por câmeras que são transmitidas para o Segmento Solo por um transmissor de vídeo. Figura 1 - RPAS típico de baixo custo para aplicações civis [1]. O sistema de controle de voo é formado por: piloto automático, atuadores, receptor de rádio-controle e rádio-modem. O piloto automático é composto por uma unidade de processamento capaz de ler as informações de sensores inerciais, de pressão e de um receptor GPS. Com isso gera os sinais de controle que são enviados aos atuadores para realizar o controle e a navegação da plataforma aérea. Nesse sistema são armazenadas as informações da missão a ser cumprida pelo RPAS. Os atuadores agem diretamente nas superfícies de controle e no controle de potência do sistema de propulsão, além de efetuar o controle de direção do trem de pouso quando em solo. 2.2 Segmento de Comunicações O Segmento de Comunicações interliga o Segmento Aéreo com o Segmento Solo por meio de: enlace de rádio-controle responsável por enviar os comandos de um piloto em solo para o VANT e não recebe nenhuma informação do VANT; 2 / 8
enlace de dados de comando e controle que usa dois rádios-modem redundantes é responsável por enviar comandos e receber dados de telemetria do VANT e enlace de vídeo ou de carga paga que envia sinais de vídeo capturados pelas câmeras instaladas no VANT para a Estação de Aplicação de Dados em Solo. 2.3 Segmento Solo O Segmento de Solo é composto pela Estação de Controle em Solo - ECS - e pela Estação de Aplicação dos Dados EAD sendo que a primeira permite que um piloto controle o VANT quando requerido, receba os sinais de telemetria e envie os sinais de telecomando, utilizando os rádiosmodem, e a segunda possibilita a recepção e análise dos dados obtidos pela carga útil. 3. AERONAVE DE ASA FIXA A metodologia utilizada para a execução do projeto da aeronave de asa fixa baseia-se em modelos de desenvolvimento que sirvam como plataformas de baixo risco para a experimentação de inovações. 3.1 Modelos de Desenvolvimento Os modelos de desenvolvimento são os seguintes: Plataforma aérea de asa fixa prova de conceito - ALFA projeto aeronáutico de médio porte que visa à validação da teoria aplicada; Protótipo para integração de sistemas - DELTA I plataforma de pequeno porte, comumente utilizada como aeromodelo, equipada com a aviônica de VANT, para testes de curta distância; Protótipo para prova de conceito do sistema de controle autônomo - DELTA II - plataforma de médio porte, comumente utilizada como aeromodelo, equipada com os sistemas eletrônicos do VANT, para testes de curta distância com sistema de imageamento no espectro visível; Protótipo para prova de conceito de imageamento visível - DELTA III plataforma aérea VANT de médio porte para testes de longa distância e equipada com sistema de imageamento no espectro visível; Protótipo para prova de conceito de imageamento completo DELTA IV plataforma aérea VANT de grande porte para testes de longa distância e integração de sistemas eletrônicos e imageamento completo no espectro visível e infravermelho; Plataforma aérea aprimorada - BETA projeto aeronáutico aprimorado, de grande porte, longo alcance e equipada com todos os sistemas para a realização da missão. A Figura 2 apresentada ilustra esses desenvolvimentos: (a) imagem do SIVANT constituído do Protótipo Delta IV e a Estação de Controle em Solo no mesmo quadro e (b) detalhe dos displays da Estação de Controle em Solo com imagens reais obtidas em testes de campo. O display inferior mostra a tela do programa de controle do piloto automático com indicações de telemetria e o mapa do terreno. O display superior mostra a imagem transmitida do avião para a Estação de Controle em Solo. 3.1 Ssitema de Imageamento Foram definidas três regiões: Zona de Exclusão, Zona de Voo Termal e Zona de Voo Visível. Zona de Exclusão - Esta zona foi construída levando em consideração os riscos de choque com as linhas e torres, definindo-se um perímetro de segurança para o imageamento com raio e D1, ilustrado na Figura 3(a). Zona de Voo Termal - D2 a distância máxima para se obter imagens de qualidade, foi traçado este valor como limite operacional desta região conforme mostrado na Figura 3(b). Zona de Vôo Visível - Região que delimita a distância máxima de vôo visível, considerando o aspecto de qualidade de imagem. A distância máxima dos condutores neste caso é a D3, como pode ser observado visto em perspectivas da Figura 3(c). 3 / 8
As três unidades acima definidas formam o conjunto das ZVSs. Essas regiões tem uma zona de sobreposição, onde o voo termal e o visível podem ser feitos em conjunto respeitando-se a zona de exclusão, como ilustrado na figura 4. (a) ( b) Figura 2 SIVANT Sistema de Inspeção de Linhas de Transmissão através de VANTs (a) Sistema básico completo incluindo Protótipo Delta IV de Estação de Controle em Solo (b) Detalhe dos displays da Estação de Controle em Solo (a) (b) (c) Figura 3 Visada da ZVS: (a) Zona de Exclusão (b) Zona de Vôo Termal (c) Zona de Vôo Visível 3.3 Sistema de Transmissão de Vídeo Figura 4 Composição das ZVS Um dos maiores desafios do projeto é conseguir desenvolver um sistema com grande autonomia, que seja capaz de inspecionar uma grande extensão de linhas de transmissão em um único voo. Os sistemas de transmissão de controle e de vídeo são um dos fatores que limitam essa autonomia desejada. Os melhores equipamentos disponíveis possuem um alcance de até 50 km. Porém, quando o enlace não está em linha de visada, esse alcance é reduzido para cerca de 1 km. Na solução inicial, considerava-se um sistema com um rádio embarcado no VANT e outro na Estação de Controle em Solo. Com essa geometria, raramente se conseguiria a visada direta no enlace de comunicação, devido às variações do relevo. Assim, o sistema de transmissão limitaria a autonomia da operação a um raio de aproximadamente 1 km. Para superar essa limitação, foi proposta uma solução inovadora incluindo uma estação repetidora no sistema de comunicação entre a Estação de Controle em Solo e o VANT. A 4 / 8
inovação consiste na forma como a estação repetidora é concebida e realizada. Idealizou-se a utilização de um balão cativo como plataforma para o rádio repetidor como ilustra a Figura 5. A utilização dessa solução facilita a visada direta do sistema de comunicação, aumentando assim o alcance. Dessa forma, o raio da área coberta pelo sistema, que antes era de aproximadamente 1 km, pode operar entre 40 e 50 km, dependendo do relevo, potência de transmissão, sensibilidade do receptor e ganho das antenas. Figura 5: Sistema de comunicação com estação repetidora Foram analisadas as influências das características do sistema, tais como ganhos das antenas, potências de transmissão, altura da estação repetidora e relevo do terreno através do programa livre Radio Mobile Erro! Fonte de referência não encontrada.. Paralelamente, buscou-se determinar qual a tecnologia de transmissão de vídeo mais adequada para o sistema de inspeção, tendo em vista a qualidade de imagem requerida, tendo-se optado pela tecnologia COFDM Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex Erro! Fonte de referência não encontrada.. Foram realizados testes de campo com o transmissor de vídeo e a câmera embarcados no balão cativo, com a finalidade de simular a operação de transmissão de vídeo do VANT para a Estação de Controle em Solo. Utilizou-se um método também inovador para a avaliação desse sistema, pois nesse caso o balão simula o VANT e o receptor dentro da estação móvel é que se desloca. A Figura 6(a) mostra o balão cativo sendo lançado e a Figura 6(b) mostra os pontos onde foram feitas as medidas de intendidade de sinal durante o deslocamento da Estação de Solo. Mediu-se o nível de sinal recebido pelo receptor embarcado na estação móvel para diversos pontos ao longo da trajetória percorrida em solo pela estação móvel. Os resultados desse teste são apresentados na Erro! Fonte de referência não encontrada.7. O alcance máximo atingido no enlace foi de 20,4 km. (a) (b) (c) Figura 6: Enlace de vídeo: (a) balão cativo (transmissor), (b) pontos de medida de sinal e (c) níveis de sinal medidos. Mediu-se o nível de sinal recebido pelo receptor embarcado na estação móvel para diversos pontos ao longo da trajetória percorrida em solo pela estação móvel. Os resultados desse teste são apresentados 5 / 8
na Erro! Fonte de referência não encontrada.6(c). O alcance máximo atingido no enlace foi de 20,4 km. 4. AERONAVE DE ASA ROTATIVA Na aplicação de aeronaves de asas rotativas para inspeção de linhas de transmissão de energia elétrica, a possibilidade de realizar voos pairados ou em baixíssimas velocidades, aproximação e distanciamento em qualquer direção, possibilita a obtenção de imagens com grande nível de detalhamento. Por outro lado, a autonomia desses sistemas não é muito grande, o que sinaliza uma grande preocupação com o rendimento dos motores e tipo de combustível utilizado. Visando atender aos requisitos do projeto, algumas tecnologias de aeronave de asas rotativas autônomas e semiautônomas foram estudadas e com relação ao frame de vôo foi adotada a solução cujas características estão listadas a seguir: Comprimento: 1658 mm Diâmetro do rotor de cauda: 337 mm Largura: 355 mm Motor: 2.4 Cavalos à Gasolina Altura: 622 mm Peso Líquido: 7 Kg Diâmetro do Rotor: 1981 mm Carga Paga: 7Kg 4.1 Sistema de Guiamento e Controle Figura 7 - Arquitetura da Solução A Figura 7 ilustra a arquitetura proposta, a partir dela podemos observar os diversos subsistemas e sua localização no sistema como um todo. O Sistema embarcado de Controle de Voo (AFCS) Figura 7(a) realiza as funções básicas de estabilização e navegação da aeronave. Esse é composto por circuitos microcontrolados e sensores como a unidade de medidas inerciais (IMU), composta por acelerômetros e giroscópios. Utilizando também informações provindas dos Sensores de Posicionamento Global Figura 7(b), dentre eles, Giroscópio e Magnetômetros (bússola digital), o sistema de controle de voos determina as atuações que deverão ser feitas no sistema para efetuar a estabilização da aeronave. Para atuar fisicamente na aeronave, o sistema de controle de voos envia os comandos para as placas de controle de servos 7(c) que fornece os para os servo-motores posicionados em pontos de controle da aeronave Figura 7(d), como a Bailarina, Controle de Cauda e Acelerador. Opcionalmente, o controle da aeronave pode ser feito por operação manual a partir de um Rádio Controle Figura 7(e). 6 / 8
A partir de uma rede WIFI Figura 7(f) o Sistema de Controle de Voos pode se conectar com um computador em terra executando o software Ground Station Figura 7(g) que recebe e exibe em tela para o operador (piloto de solo) várias informações sobre localização, posição, estado de funcionamento e comandos em execução na aeronave. A estação de controle em terra também serve de interface para que um piloto de solo envie comandos para a aeronave quando esta se encontra em modo de operação semi-autônomo, controle a aproximação de objetos de inspeção ou ainda carregue programas de voos que o sistema poderá produzir de forma autônoma. Algumas configurações do sistema também são feitas por esse aplicativo. A comunicação com a estação de solo é estabelecida de forma estável a uma distância máxima de 2 km. O sistema é capaz de operar mesmo fora desse raio de forma autônoma, mas devido às restrições de segurança essa marca é considerada como limítrofe e determinada como a distância máxima a ser atingida em uma inspeção na linha de transmissão. 4.2 Sistema de Imageamento Para obter um nível de detalhamento nas imagens que permita a distinção necessária para uma inspeção, características como posicionamento da câmera, possibilidade de atuação em zoom e panorâmicas, estabilização da câmera em um ponto fixo, imunização a ruídos provenientes do funcionamento do motor e resolução devem ser observadas. Uma câmera de sinal analógico Figura 7(i) com controle de zoom é fixada a um gimble Figura 7(h), que permite atuação no feixe de visão em dois ângulos, produz um sinal de vídeo composto que é obtido por um vídeo encoder Figura 7(j). O encoder é um sistema embarcado de processamento de vídeo em tempo real que codifica a imagem em vídeo digital, faz uma compressão e em seguida transforma a informação em pacotes ethernet que são enviados para um Acces Point WIFI que também está embarcado na aeronave e compõe o sistema de transmissão de Figura 7(f). No computador em terra que deve estar conectado à mesma rede WIFI o sistema Ground Station Figura 7(g) recebe o streaming de vídeo, executa um algoritmo de estabilização de imagem para neutralizar os efeitos de vibração, provocados pelo funcionamento dos motores da aeronave e do atrito com o vento, na imagem e exibe na tela. O aplicativo também recebe comandos de um joystick ou mouse e envia para o sistema embarcado na aeronave, podendo dessa forma atuar no posicionamento do feixe de visão e zoom. Uma vez que se tem a imagem codificada em streaming por pacotes IP, a transmissão do vídeo para estação em terra deve-se dar por meio ethernet, essa solução foi especificada ainda no intuito de usar o mesmo canal de comunicação que será usado entre a Ground Station para o envio de comandos e sinais de telemetria. 4.3 Resultados Experimentais A aeronave apresentou boa estabilidade em voos autônomos e semi-autônomos e a operação se deu de forma intuitiva e funcional, podendo ser implantada sem a necessidade de treinamentos muito especializados. A estabilidade apresentada pela aeronave em voo pairado permitiu a obtenção de imagens de qualidade suficiente para identificação de objetos do tamanho dos equipamentos utilizados em linhas aéreas de transmissão energizados. A aeronave se mostrou capaz de operar em diversas condições climáticas e foi possível se aproximar a uma distância de menos de 7 metros da linha de transmissão com segurança. A telemetria se mostrou eficiente e foi possível conhecer as condições de funcionamento da aeronave. O sistema também se comportou satisfatoriamente em modo autônomo. 7 / 8
5. CONCLUSÃO Os primeiros resultados experimentais indicam que os Sistemas de Aeronaves Remotamente Pilotadas RPAS são apropriadas para a aplicação de inspeção aérea de linhas de transmissão energizadas, desde que especialmente projetadas e desenvolvidas para atender os requisitos operacionais da atividade. Por isso, uma especial atenção vem sendo dada ao projeto e desenvolvimento de plataformas aéreas customizadas para a aplicação. Tendo em vista a extensão territorial dos sistemas de transmissão de energia, faz-se necessária a utilização de plataformas de asa fixa para propiciarem as coberturas de longos trechos de linhas de transmissão, e para se atender aos requisitos de garantia da comunicação durante todo o voo entre o VANT e a Estação de Controle em Solo, onde foi concebida uma solução inovadora e baixo custo para prover a comunicação além da linha de visada visual, através do uso de repetidoras embarcadas em balões cativos. A utilização de balões também deu origem a um método inovador de qualificação de sistemas VANT, pois os sistemas da aeronave podem ser embarcados no balão que simula o VANT. Para cumprir com requisitos operacionais de qualidade de imagem para inspeção, a aeronave deverá sobrevoar a linha de transmissão à baixa altitude, em torno de 100 m, porque o imageamento na faixa do infravermelho exige proximidade à linha de transmissão para obtenção das imagens com boa resolução, estando a câmera instalada no avião que voa a cerca de 70 km/h. A necessidade de obtenção de imagens de alta qualidade e definição deu origem à necessidade de se utililizar também aeronaves de asas rotativas para a realização de inspeções minuciosas dos elementos constituintes das linhas de transmissão. Tais aeronaves tem se mostrado apropriadas para a aplicação e os primeiros resultados experimentais vem sendo obtidos bastente sucesso. Em síntese, o sistema em desenvolvimento contempla a utilização de plataformas de asa fixa e de asa rotativa de naturezas complementares que de forma coordenada atenderão as necessidades operacionais da atividade de inspeção aérea de linhas de transmissão energizadas com mais segurança aos operadores (pilotos de solo), maior flexibidade para mobilização e menor custo por hora de voo em comparação com os helicópteros tripulados. BIBLIOGRAFIA [1] AMARAL, Giovanni Fernandes. Estudo e Melhoria da Confiabilidade do Sistema de Controle Eletrônico de Voo de um Veículo Aéreo Não Tripulado. 2009. 147 folhas. Tese de Mestrado em Engenharia Eletrônica, Área de Dispositivos e Sistemas Eletrônicos Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos. [2] ARAÚJO, Adler Ronan Rios. Estudo de alternativas de comunicação entre um Veículo Aéreo Não Tripulado VANT e a Estação de Controle em Solo. 2011. 98f. Trabalho de Conclusão de Curso. (Graduação) Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos. [3] BRASIL, Rômulo Magalhães. Análise de Sistemas de Transmissão de Vídeo para Aeronaves Não Tripuladas. 2011. 69f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos. 8 / 8