Identificação por sensores de detecção

A aplicação para identificação por detecção tem uma gama de sensores que fazem essa identi- ficação e tem funções relacionadas ao controle do tráfego ou do veículo. São operados nos semáforos inteligentes na identificação do número de veículos, como também no aperfeiçoamento dos veículos autônomos.

Os principais sensores de detecção são considerados por medição aérea, como o LiDAR, mag- nético, acústico, piezoelétrico, infravermelho, ultrassônica, lazer, fotoelétrico, por radar e térmico.

E quando por medições no pavimento, que são: indutivo e magnético.

O sensor LiDAR - Light Detection And Ranging, tem uma construção simples baseado nos radares. Quando ligado, dispara feixes de luz a laser com uma frequência de até 150 mil pulsos por segundo.

No próprio equipamento é medido o tempo que se leva a cada pulso para que tenha um obstá- culo. A luz se move a aproximadamente 0,3 nano segundo e o instrumento LiDAR calcula a distância da emissão do feixe até o anteparo.

Em função da velocidade e o dispositivo utilizado podendo ser giratória, é possível construir um mapa do local que está sendo analisado em milissegundos. De acordo com o movimento, os senso- res relacionados à localização devem ser orientativos para a construção dos mapas.

Existem dois modelos principais de pulso: micro pulsos e sistemas de alta energia.

Os lasers de micro pulso são de menor potência e não interferem na visão das pessoas, permitindo que sejam usados com poucas precauções de segurança como nos veículos autônomos [158].

Os sistemas de alta energia são mais usados para pesquisa atmosférica, na medição de uma variedade de parâmetros atmosféricos, como altura, camadas e densidade de nuvens, propriedades de partículas de nuvens, temperatura, pressão, vento, umidade e concentração de gases traços [158].

Na figura 3.17 é apresentada uma imagem esquemática de como o sensor LiDAR atua [158].

Figura 3.17: imagem esquemática de como o sensor LiDAR atua.

Os sensores magnéticos detectam alterações por meio de um campo magnético como fluxo, força e direção. Em função da construção do campo magnético existente e dos dados coletados dos sensores em relação às mudanças e alterações que são identificadas, há uma gama de utilizações.

Podem ser usados na identificação de rotações, ângulos, direção, presença e corrente elétrica para monitoramento. Os sensores magnéticos são divididos em dois grupos, aqueles que medem o campo magnético completo e os que medem os componentes vetoriais do campo [159].

Estes sensores podem ser utilizados na contagem de veículos nas vias monitoradas e instaladas na própria via de rolagem, devido aos veículos serem providos, em parte, de materiais metálicos.

Os sensores de vídeo podem ser classificados em diferentes maneiras. De forma usual pode se avaliar quanto ao seu tipo de estrutura, que são [160]:

Charge-Coupled Device (CCD), em tradução livre, dispositivo de carga acoplada; ou

Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS), em tradução livre, semicondutor de

óxido metálico complementar.

Outra maneira usual está nas especificações do sensor como, por exemplo, a resolução, a taxa de quadros, o tamanho de pixel e o formato do sensor. A qualidade que se espera de um sensor tende a definir a aplicação.

Independentemente da classificação, todos tem o mesmo objetivo, que está na conversão da luz, em fótons, convertida em um sinal elétrico, que pode ser visualizado, analisado ou armazenado.

O chip de um sensor de imagem de estado sólido contém pixels, que são compostos de elementos sensíveis à luz, micro-lentes e micro componentes elétricos. As ligações dos fios transferem o sinal da matriz para a parte traseira do sensor. Uma sucessão de sensores são colocados lado a lado. A diferença entre as duas estruturas de sensores está basicamente no processamento das ima- gens. Enquanto o CMOS consome menos energia, tem uma correção melhor à exposição da luz, rápida conversão de sinais, o de estrutura CCD, tem mais sensibilidade à luz, mas em contrapartida não tem boa correção à exposição à luz e a conversão dos sinais é mais lenta [160]. Atualmente o tipo CCD está ficando em desuso conforme observado na oferta das câmeras no mercado.

Os sensores de vídeo podem ser empregados em dispositivos de medição do fluxo de veículos, e, serem fundamentais, para a fiscalização dos veículos automotores. O sistema de contagem por vídeo é capaz de registrar, com precisão, dados de pedestres, bicicletas, motos, carros, caminhões e ônibus.

Os sensores de vídeo têm características como confiabilidade e precisão dos dados coletados; estabilidade no tempo de leitura e gravação; medição da densidade pela parametrização da via [161].

Utilizando as câmeras para a contagem de veículos, a cidade de Nurembergue, na Alemanha, desenvolveu o projeto Orinoko em 2008 [161].

O processamento de imagens, geradas por câmeras de vídeos em tempo real em ruas e avenidas, possibilitou a medição do fluxo de tráfego, calculando o tamanho das filas.

Com estas medidas foi possível abordar o conceito de semáforos inteligentes, podendo acionar automaticamente os semáforos, garantindo um fluxo tendendo a ser contínuo.

Outra aplicabilidade está nas câmeras térmicas, podendo ser utilizadas em veículos autônomos. Algoritmos com aprendizagem de máquina para a classificação de objetos por meio de dados essenciais, a partir de raios infravermelho do espectro eletromagnético, são fundamentais para melhorar a tomada de decisões.

As câmeras térmicas têm vantagens em relação às tradicionais devido às dificuldades de senso- res que, em locais escuros, com sombra, sob brilho do sol, nevoeiro, fumaça ou neblina seriam dificil- mente detectados. Esse dispositivo amplia todo o conjunto de sensores e oferece a redundância para dar robustez aos meios de medição e tomada de decisão. As câmeras que são utilizadas para medição de subestação ou transformadores urbanos na manutenção, também podem ser utilizados para diagnosticar partes com calor excessivo nos motores térmicos. Na figura 3.18 é mostrado uma câmera térmica [162].

Figura 3.18: câmera térmica.

Os sensores acústicos são geralmente chamados de microfones. Basicamente, o microfone é um transdutor de pressão adaptado para a leitura das ondas sonoras em uma ampla faixa espectral que geralmente exclui frequências muito baixas [163].

Os microfones diferem principalmente por sua sensibilidade, características direcionais, largura de banda de frequência, faixa dinâmica e tamanhos.

A faixa de freqüência operacional geralmente começa em hertz ou dezenas de milihertz dependendo das aplicações e, o limite superior de freqüência operacional, está em megahertz para aplicações ultrassônicas e gigahertz no dispositivo de ondas acústicas de superfície [163].

No tráfego de veículos, os sensores acústicos podem ser utilizados para medir o ruído de fundo por meio do nível de som, com o uso do decibelímetro. Este dispositivo tem uma escala em decibéis, uma escala logarítmica, cuja a duplicação da pressão do som corresponde a 6 decibéis no aumento de nível. O tráfego urbano tem um ruído de fundo de aproximadamente 90 dB [164].

A aplicação deste sensor é imprescindível quando alterações nas vias são feitas, sendo benéfico quando há redução do nível de som e prejudicial com o aumento. A introdução de veículos elétricos nos centros urbanos tende a reduzir o nível de som. E, enquanto o aumento de ônibus em uma determi- nada via pode ser vantajoso em um determinado deslocamento. Em outro, pode acarretar o aumento dos níveis sonoros e, consequentemente, reclamações da população local, podendo causar eventuais processos judiciais.

Assim como os analisadores de gases poluentes, o decibelímetro é imprescindível para a homo- logação de veículos automotores que queiram ser introduzidos em vias públicas, sendo quesito passível de fiscalização pela Companhia Ambiental do Estado de São Paulo (CETESB).

Há a possibilidade de se instalar o sensor acústico na via, mas, devido à sensibilidade, trata-se de uma instalação complexa, onerosa e impactando danos no pavimento. Além disso, dependendo da localização na via, pode ter interferência de veículos pesados e vias adjacentes [161].

Os sensores por laço indutivo são considerados como um método confiável na medição de fluxo de veículos. São instalados na superfície do pavimento, geralmente em formato quadrado, retangular ou circular que, por meio de uma bobina, se forma um campo magnético quando energizado [165].

Eles operam como os sensores magnéticos, sendo que a presença de um objeto, passando pelo laço indutivo, muda o campo magnético devido à massa metálica do objeto, podendo ser considerado um veículo e, consequentemente, ser utilizado para medir erroneamente a quantidade de veículos em um determinado período.

Quando colocados na superfície da massa asfáltica em pares, também se pode obter a veloci- dade e comprimento do veículo. Por isso, pode ser utilizado como dispositivos de fiscalização em con- junto com as câmeras de tráfego [165].

Também tem aplicação na abertura de semáforos, por exemplo, no período noturno. Devido ao baixo fluxo de veículos em vias locais ou coletoras, dependendo dos horários, o semáforo pode ser programado para abrir somente na presença de veículos que queiram acessar a via principal.

A aplicação pode estar relacionada com outras modalidades de locomoção, como entradas de estacionamentos em terminais de ônibus e estações de trem, dando subsídios na quantidade de passa- geiros estão chegando em determinados horários. Ou, nos estacionamentos em regiões centrais, pas- sando uma previsibilidade de entrantes nas vias públicas, caso estejam conectados com uma central, neste caso a CET. Também é possível auxiliar no acionamento de emissão de tickets de estacionamento ou Tags para efetivar pagamentos.

Por outro lado, este sensor tem suas fragilidades e, dependendo da massa metálica em determi- nado tamanho, o veículo pode ser identificado. Por isso, as motocicletas, scooters e bicicletas, por

exemplo, não são identificadas por este sensor de laço indutivo. O tipo de pavimento a ser instalado torna-se restritivo quando com broquetes e paralelepípedos, sendo mais conveniente massa asfáltica ou concreto.

Conforme [166], há dois fenômenos que devem ser evitados: o splash over, que consiste em detecção causada por um veículo que trafega na faixa adjacente e o crosstalk, que consiste na interfe- rência de campos magnéticos entre laços indutivos próximos.

Para a identificação de motocicletas por passagem em laço indutivo, os experimentos apontam que a geometria deve ser alterada em formato de “8”, ao contrário dos formatos tradicionais emprega- dos nas vias públicas. A geometria de detecção por laço indutivo também tem formatos e número de voltas diferentes dependendo do modal, como os automóveis, ônibus e caminhões [166].

O sensor por placas de flexão é utilizado em dispositivos de pesagem em movimento por chapa dobrável que faz parte do grupo Weigh in Motion (WIM). Dependendo do projeto, é possível utilizar para medições até 60 km/h. Os sensores colados na parte inferior da chapa registra a deformação medida e calcula a carga dinâmica [167].

A utilização de placa dobrável torna-se confiável quando associada aos sensores de carga para se fazer as medições. De acordo com a carga que se quer medir, há também outras opções além da placa dobrável, como em polímero, quartzo, capacitiva e fibra óptica.

Trata-se de um dispositivo que pode ser utilizado nas vias expressas, em vias rodoviárias para antecipar a medição de carga antes das balanças de fiscalização.

Devido a medição de carga por eixo ser dinâmico, isto é, com o veículo em movimento, pode haver um erro de até 15% para carga por eixo e 5% para o peso bruto do veículo, sendo que a massa do veículo passa a ser dimensionada de acordo com o alcance. A aplicação para caminhões é o mais convencional [168].

Na figura 3.19 é apresentado uma via com a placa de flexão conjugado com o laço indutivo [167].

Em estudo recente foi identificado que a temperatura ambiente e o tipo de pavimento podem alterar os valores extraídos dos sensores, sendo este um ponto de atenção e análise às placas de flexão. Nota-se que pavimentos rígidos são menos suscetíveis a estas deformações, podendo ocasionar leituras imprecisas [168].

Os sensores piezoelétricos têm aplicações no monitoramento do tráfego como a placa de flexão, fazendo parte do mesmo grupo WIM. O sensor piezoelétricos é uma proposta que seja aumentada a sensibilidade dos detectores e pelo processo de otimização dos algoritmos, com base no modelo do sistema, a qual tende a ter uma precisão mais eficaz e, consequentemente, melhor confiabilidade do monitoramento do tráfego.

Novas propostas de aplicação com sensores piezoresistivos à base de cimento e sensores piezoelétricos têm sido investigados quanto ao monitoramento do tráfego. O fato do sensor estar integrado ao pavimento, há uma boa compatibilidade quanto à longa vida útil, baixo custo de manutenção, fácil instalação e manutenção [169].

O sensor piezoresistivo altera a resistividade de acordo com a tensão/ tensão compressiva, sendo calibrada in loco. Testes de estrada, usando sensores piezoresistivos baseados em cimento, foram realizados na faixa de velocidade de 20 km/h a 70 km/h; uma velocidade utilizada em vias urbanas. Para um veículo van de 6,8 toneladas foi identificado, por repetições de medição, um erro de 1 tonelada, que significa 15% [170].

Se compararmos com o dispositivo utilizando placas de flexão, há um erro superior na medição. Enquanto que nas placas de flexão o valor da massa bruta medida está em média 5% de erro, no caso do piezoelétrico, está em 15%. Porém, como o sensor piezoelétrico está no próprio concreto da via, tende a ter uma manutenção e desgaste menor comparado às placas de flexão.

Os sensores infravermelhos têm uma aplicação na contagem de veículos para medição do vo- lume de tráfego e na presença de um veículo estacionado em uma determinada vaga de estacionamento monitorada.

Uma combinação de sensores infravermelhos, posicionados em locais estratégicos, pode medir o volume e interpretar a diferença de passagens de veículos, identificando, neste caso, se há ou não congestionamentos e antecipando, naquela região, um volume que pode ser evitado com o comparti- lhamento de informações [171].

No Brasil há uma aplicação específica que ajuda os motoristas a identificar as vagas restantes em grandes estacionamentos de Shopping Centers que, conjugado com um luminoso, identifica se a vaga está ocupada, quando a luz está vermelha e, está livre, quando a luz está verde. Além disto, um

placar localizado no início do estacionamento, informa quantas vagas disponíveis há naquele piso, o que, de certa forma, determina o quão vantajoso é optar por ele.

Existem dois tipos de sensores infravermelhos: os ativos que operam transmitindo energia de um light emission diodo (LED) ou diodo emissor de luz ou laser; e o passivo, que detecta energia emitida por objetos no campo de visão e pode usar algoritmos de processamento de sinal, para extrair a quantidade desejada. De alguma forma, os objetos emitem energia por meio de calor ou radiação térmica, que pode cair no espectro infravermelho [171].

As vantagens dos sensores infravermelhos estão na não necessidade de modificações no pavi- mento; uma faixa de feixes de energia para determinar com maior precisão a posição, a velocidade e a classificação do veículo e, se instalado na lateral de uma via, possivelmente detecta veículos em estra- das de múltiplas pistas [161].

Os sensores por radar têm a possibilidade de usar vários feixes de disparo a frente, identificando um número representativo de veículos dentro do campo de visão por muito mais tempo, dependendo da posição colocada.

Em uma montagem sequencial, os veículos podem ser monitorados por um longo período quando estão no campo de visão combinado, evitando sombras. O alto desempenho de detecção em cruzamentos e excelente precisão de contagem pode ser conseguida. O comportamento de condução de veículos pode ser analisado e a mudança na velocidade ser monitorada, o que, geralmente, é uma indicação para análise de incidentes e oportunidade para aplicações utilizando a inteligência artificial. Os sensores de radar transmitem radiação de microondas de baixa energia, refletida por todos os objetos dentro da zona de detecção. Existem dois tipos de sistemas de sensores de radar: sistema Doppler o qual utiliza a mudança de frequência do retorno para rastrear o número de veículos e determina a velocidade com precisão, utilizado na fiscalização; e o radar de onda contínua modulado em frequência, que irradia uma potência de transmissão contínua como um radar de onda contínua simples e é usado para medir volume, velocidade e presença de fluxo [172].

Em geral, os sensores de radar são muito precisos e fáceis de instalar. Eles suportam detecção nas múltipla zonas e podem operar tanto durante o dia quanto a noite. Sua principal desvantagem é a alta suscetibilidade a interferências eletromagnéticas. São classificados em até seis categorias, e mo- nitorar oito faixas de rolamento simultaneamente. A estrutura para montagem é leve e compacta, es- tanque e de baixo consumo de energia [161].

Os sensores térmicos têm duas características principais para identificação. Uma relacionada ao contato, desde um simples termômetro corpóreo a base de álcool etílico até de nível industrial, com

longos alcances de variações como os termopares. Uma outra forma mais recente comercializada para a medição corpórea está na aproximação por raios infravermelhos.

Seja por contato ou aproximação, a aplicação das duas formas podem ser o mesmo fim, como a medição corpórea, ou não, e para medição de pessoas à frente de um determinado veículo. Em suma, a variedade e a aplicabilidade são muito amplas.

As aplicações vão desde a identificação de fontes de calor produzidas pelas máquinas térmicas, neste caso sensor de contato, como na identificação de perdas em energia elétrica por calor, como a identificação de quadros elétricos por sensor de infravermelho.

Os sensores térmicos, dependendo da acuracidade, podem monitorar a saúde das pessoas, como o próprio monitoramento destes indivíduos, pois dependerá muito do propósito da aplicação.

Em artigo relacionado à identificação de pessoas por sensor térmico por infravermelho, o desa- fio é o de eliminar os falsos positivos. Uma das maneiras está no aperfeiçoamento do processo de identificação dentro das características, como a resolução de imagem para que a leitura tenha assertivi- dade no reconhecimento [173].

Um ponto interessante quando a aplicação dos sensores térmicos sem contato está na área da mobilidade urbana, ora para medição de veículos, como na contagem, ora são utilizados para identifi- cação de pessoas quando o veículo requer, por exemplo, para uma frenagem autônoma. O fato é que estudos até o presente momento para se medir, por exemplo, número de ocupantes em veículos com caráter fiscalizador, não foi encontrada na pesquisa bibliográfica e faz parte da proposta da tese.