Diferentes composic¸˜oes de sensores distribu´ıdos sobre um VANT multirrotor foram analisadas diante de um cen´ario simulado de inspec¸˜ao de torres de alta tens˜ao. Foram criados trˆes modelos de arquiteturas de sensores. Cada modelo foi analisado com base em seu padr˜ao de feixe e o poss´ıvel desempenho dos sensores embarcados em um VANT ao detectar parte da infraestrutura de uma torre el´etrica e do conjunto de cabos el´etricos.
As principais caracter´ısticas que definiram os tipos de sensores utilizados na composic¸˜ao das arquiteturas de sensores basearam-se em (I): capacidade de detecc¸˜ao superior a 2 metros de distˆancia, (II): identificac¸˜ao de m´ultiplos obst´aculos, (III): identificac¸˜ao de obst´aculos finos tais como os cabos el´etricos, (VI): ser capaz de identificar obst´aculos mesmo sob elevada incidˆencia solar, (V): ser capaz de identificar obst´aculos mesmo em constante vibrac¸˜ao.
Identificou-se pelos resultados apresentados na sec¸˜ao 5.1, que os sensores HC-SR04, LidarLite V3 e YDLidar X4 apresentam as caracter´ısticas exigidas para compor os diferentes modelos de arquiteturas de sensores junto ao simulador V-REP. O padr˜ao de feixe da cada sensor utilizado no simulador foi modelado com base em suas caracter´ısticas de desempenho apresentadas em seu manual de utilizac¸˜ao e nas etapas de caracterizac¸˜ao. Com isso, foram criadas as representac¸˜oes de atuac¸˜ao de cada sensor buscando simular seu poss´ıvel desempenho em um cen´ario de inspec¸˜ao de torre el´etrica.
Duas empresas especializadas em monitoramento de torres el´etricas por VANTs (CO- PEL e HEGARD) foram consultadas, prestando informac¸˜oes de como s˜ao realizadas as ma- nobras pelo VANT quando utilizada para inspecionar torres de alta tens˜ao. Estas informac¸˜oes prestadas pelas empresas auxiliaram na elaborac¸˜ao de um modelo de distribuic¸˜ao de sensores em um VANT multirrotor dedicado a inspecionar torres el´etricas.
5.3.1 MODELOS DESENVOLVIDOS NO SIMULADOR V-REP
Os modelos desenvolvidos no simulador basearam-se em trabalhos encontrados na li- teratura e que lidam com a tem´atica de inspec¸˜oes el´etricas de alta tens˜ao por VANTs multirro- tores. Cada autor (DENG et al., 2017; VINA; MORIN, 2017) fez uso de um estudo de caso, avaliando condic¸˜oes de infraestrutura de torres el´etricas. A combinac¸˜ao dos dois estudos de caso, isto ´e, a avaliac¸˜ao do conjunto de cabos e da estrutura de uma torre el´etrica ´e a resultante de uma inspec¸˜ao detalhada de torres el´etricas, este sendo o objetivo da arquitetura de sensores a ser modelada.
O primeiro estudo de caso foca em identificar e construir mapas em 3D de corredores de cabos el´etricos de alta tens˜ao. O deslocamento do VANT multirrotor foi realizado semi- autonomamente, ou seja, atrav´es de pontos pr´e estabelecidos por GPS, onde em uma linha reta,
seguindo o conjunto de cabos el´etricos, o VANT coletou construiu um mapa de sua trajet´oria, indicando a ausˆencia ou n˜ao de linhas de transmiss˜ao.
No segundo estudo de caso, um VANT multirrotor foi utilizado para detectar a base de uma torre el´etrica, identificando em movimentos verticais para cima e para baixo, as quatro faces de uma torre. O objetivo do estudo foi detectar e reconstruir em um mapa 3D apenas a estrutura da torre el´etrica, voando controlado remotamente por um operador humano.
A avaliac¸˜ao dos modelos desenvolvidos no ambiente virtual, auxiliam na identificac¸˜ao de poss´ıveis falhas de cobertura sensorial sobre o VANT diante dos procedimentos de inspec¸˜ao de torres el´etricas. Com isso, o entendimento de como posicionar diferentes tipos de sensores para realizar inspec¸˜oes detalhadas em torres el´etricas, torna-se poss´ıvel por meio do m´etodo proposto.
O primeiro modelo de arquitetura de sensores foi baseado no trabalho desenvolvido por (DENG et al., 2017) que utilizou semi-autonomamente um VANT multirrotor para detecc¸˜ao de linhas de transmiss˜ao. O principal objetivo do VANT foi realizar uma trajet´oria pr´e-determinada e construir um mapa 3D do corredor de linhas de transmiss˜ao. O VANT ´e composto por um sensor ultrassˆonico e um sensor LASER com a tecnologia lidar (Velodyne DLP16), onde ambos os sensores est˜ao centralizados no VANT e apontados para baixo para detecc¸˜ao de corredores de linhas de transmiss˜ao.
A representac¸˜ao do padr˜ao de feixe de cada sensor utilizado neste primeiro modelo foi criada com base em suas especificac¸˜oes t´ecnicas, encontradas em seu manual de fabricac¸˜ao, e incorporadas a um VANT multirrotor. ´E importante destacar que no trabalho conduzido por (DENG et al., 2017) n˜ao foi especificado qual sensor US foi utilizado. Desta forma foi conside- rado o padr˜ao de feixe do sensor HC-SR04 para fins de an´alise deste modelo de arquitetura de sensores. A figura 35 mostra a representac¸˜ao de detecc¸˜ao sensorial vista pelo simulador V-REP diante do cen´ario de inspec¸˜oes el´etricas.
O primeiro ponto a ser destacado por este modelo de arquitetura de sensores ´e o fato de n˜ao haver outras regi˜oes de detecc¸˜ao no VANT com excec¸˜ao a regi˜ao inferior, tornando o VANT extremamente vulner´avel a poss´ıveis vegetac¸˜oes invasoras pr´oximas as linhas de trans- miss˜ao. Al´em disto, a falta de cobertura sensorial aliada ao modo de navegac¸˜ao do VANT, isto ´e, movimentando-se em pontos espec´ıficos pr´e determinados, torna o VANT ainda mais vulner´avel e sucet´ıvel a iminentes colis˜oes.
Apenas um sensor ultrassˆonico foi utilizado para detectar os obst´aculos e manter o VANT a uma determinada altura em relac¸˜ao dos conjuntos de cabos el´etricos, enquanto o sen- sor LASER foi utilizado unicamente para construc¸˜ao do mapa tridimensional. Quest˜oes que envolvam a combinac¸˜ao de diferentes tipos de tecnologias sensoriais, como a adequac¸˜ao de m´ultiplos sensores US e LASER apontados para as regi˜oes inferiores e frontais do VANT deve
Figura 35 - Avaliac¸˜ao do primeiro modelo de distribuic¸˜ao de sensores no simulador. Regiões do VANT amplamente desprotegidas Proximidade com vegetação invasora
Fonte: Pr´opria autoria.
ser considerada para este tipo de operac¸˜ao.
O segundo modelo de arquitetura de sensores basea-se no trabalho desenvolvido por (VINA; MORIN, 2017). Um sensor LASER Hokuyo UTM-30LX, posicionado na regi˜ao fron- tal do VANT, ´e utilizado para identificar parte da estrutura de uma torre el´etrica enquanto um sensor LASER SF10A, apontado para baixo, identifica obst´aculos sobre a regi˜ao inferior do VANT. O objetivo do trabalho desenvolvido pelos autores ´e o de avaliar se o VANT multirrotor equipado com seu conjunto de sensores tem a capacidade de identificar e construir mapas em 3D das regi˜oes da estrutura de uma torre el´etrica.
Ao considerar esta arquitetura de sensores para inspecionar as quatro faces de uma torre el´etrica no ambiente simulado, percebe-se que o VANT apresenta regi˜oes consideradas vulner´aveis ao deslocar-se lateralmente entre as faces da torre el´etrica. Considerando que o VANT esteja conduzindo autonomamente a inspec¸˜ao em uma regi˜ao isolada, onde ´e comum a presenc¸a de ´arvores ou de vegetac¸˜ao invasora pr´oximas as estrutura ou conjunto de cabos el´etricos, a ausˆencia de sensores de detecc¸˜ao sobre as regi˜oes laterias do VANT poder´a provocar iminentes colis˜oes, conforme ilustrado pela figura 36.
Outro fator que merece menc¸˜ao nesta arquitetura ´e a ausˆencia de sistemas de detecc¸˜ao sensorial sobre a regi˜ao superior do VANT. De acordo com os procedimentos adotados pela empresa HEGARD, para conduzir as inspec¸˜oes sobre os quatro lados de uma torre el´etrica, o VANT dever´a iniciar a movimentac¸˜ao vertical em uma velocidade de aproximadamente 1m/s, sobre cada face da torre a partir da base da estrutura el´etrica at´e atingir uma altura de 1 metro de distˆancia em relac¸˜ao ao conjunto de cabos el´etricos.
Figura 36 - Avaliac¸˜ao do segundo modelo de distribuic¸˜ao de sensores no simulador.
Sensor laser SF10A Sensor laser Hokuyo
Ponto cego
Região superior do VANT desprotegida e
próxima dos cabos elétricos
Fonte: Pr´opria autoria.
Ao adotar este procedimento, sem considerar a utilizac¸˜ao de qualquer sensor para atuar em regi˜oes acima do VANT, a possibilidade de colis˜ao sobre o conjunto de cabos el´etricos ou em pontos da estrutura da torre el´etrica deve ser classificada como alta. Considerando a atuac¸˜ao do sensor LASER, que foi apontado para baixo para estabilizar a altitude do VANT, em uma eventual irregularidade do solo, a atuac¸˜ao do sensor LASER poder´a fazer com que o VANT aumente seu teto de voo, ocasionando a colis˜ao em uma regi˜ao desprotegida de sensores de detecc¸˜ao sobre o VANT.
Ao analisar as poss´ıveis ocorrˆencias de colis˜ao do VANT durante as etapas de inspec¸˜ao a´erea vista pelo simulador V-REP, desconsiderou-se esta arquitetura de sensores por apresentar potenciais riscos de acidente em detrimento da ausˆencia de cobertura sensorial sobre a aeronave. Por fim, um terceiro modelo de arquitetura de sensores foi criado e implementado em um VANT no cen´ario de inspec¸˜ao de torres el´etricas. Este modelo de arquitetura sensorial ´e composto por 4 sensores US HC-SR04 que est˜ao posicionados sobre a extremidade frontal do VANT. Estes sensores s˜ao separados entre si em um posicionamento angular de 25◦, criando uma configurac¸˜ao de similaridade cˆoncava. Abaixo dos sensores US, um sensor LASER Lidar- Lite V3 foi acoplado junto a regi˜ao frontal do VANT.
Ambos os sensores HC-SR04 e LidarLite V3, est˜ao executando um movimento de var- redura horizontalmente em 180◦, possibilitando realizar detecc¸˜oes tanto na regi˜ao frontal quanto
nas regi˜oes laterais do multirrotor. No centro do VANT, o sensor LASER de varredura YDLi- dar X4 foi posicionado horizontalmente para ampliar a cobertura de detecc¸˜ao de obst´aculos a longas distˆancias.
A composic¸˜ao desta arquitetura de sensores definida como sendo ideal para a aplicac¸˜ao desta pesquisa, foi projetada pensando na capacidade de detecc¸˜ao de m´ultiplos obst´aculos, na identificac¸˜ao de objetos de diferentes tamanhos e espessuras e na cobertura de detecc¸˜ao senso- rial sobre o VANT para evitar poss´ıveis regi˜oes de vulnerabilidade diante do cen´ario aplicado.
Al´em disto, foram empregados diferentes tecnologias de detecc¸˜ao, aumentando a pos- sibilitade de identificac¸˜ao de obst´aculos de diferentes composic¸˜oes e espessuras que existem no ambiente de inspec¸˜ao el´etrica.
A figura 37, mostra a atuac¸˜ao dos sensores de longa distˆancia (YDLidar X4 e LidarLite V3) servindo como unidades de detecc¸˜ao prim´aria em raz˜ao de sua longa faixa de detecc¸˜ao. O conjunto de sensores US foram utilizados como unidades de detecc¸˜ao secund´aria com o objetivo de perceber m´ultiplos obst´aculos pr´oximos ao VANT, identificando tanto nas regi˜oes superiores quanto inferiores em um movimento horizontal de varredura.
Durante as an´alises realizadas no simulador V-REP pela arquitetura proposta, notou- se a existˆencia da detecc¸˜ao constante de m´ultiplos obst´aculos existentes no cen´ario de inspec¸˜ao el´etrica. Esta percepc¸˜ao entre os sensores e os obst´aculos ocorreram durante toda a movimentac¸˜ao da aeronave ao entorno da torre el´etrica.
Tendo em vista que o VANT, ao ser empregado para operac¸˜oes autˆonomas, deve de- tectar constantemente obst´aculos para manter-se a uma distˆancia segura, a presente arquite- tura de sensores modelada no simulador V-REP apresentou consistˆencia com os requisitos de navegac¸˜ao autˆonoma para uma miss˜ao de inspec¸˜ao e por tanto foi considerada para ser integrada em um VANT real dentro de um cen´ario de inspec¸˜ao de torres el´etricas.
Com base nos resultados apresentados pela arquitetura de sensores desenvolvida no ambiente de simulac¸˜ao, e tendo em vista o bom desempenho de detecc¸˜ao e ampla cobertura sensorial, a adequac¸˜ao do mesmo conjunto de sensores (com excess˜ao do sensor YDLidar X4 devido seu peso e atuac¸˜ao em constante rotac¸˜ao) posicionados nas regi˜oes traseira, superior e inferior do VANT, poss´ıvelmente o tornaria ominidirecional e ampliaria suas capacidades de detecc¸˜ao em diferentes regi˜oes.