Os materiais utilizados nesta pesquisa foram divididos em dois grupos, sendo o pri- meiro grupo composto pelos sensores LASER e ultrassˆonicos, utilizados no processo de carac- terizac¸˜ao para a composic¸˜ao da arquitetura de detecc¸˜ao sensorial, e o segundo grupo, composto pelos principais elementos de controle do prot´otipo VANT multirrotor.
4.2.1 LIDAR
O LIDAR ´e um dispositivo LASER de alta capacidade de detecc¸˜ao e que possui uma tecnologia de medic¸˜ao baseado no tempo de atraso entre a transmiss˜ao e recepc¸˜ao de um sinal de luz de um LASER ´optico pulsante. A cada recepc¸˜ao do sinal pelo sistema LIDAR, este sinal ´e convertido em um ponto que representa sua posic¸˜ao em relac¸˜ao a algum objeto.
Como este tipo de tecnologia opera na velocidade da luz no meio, a resultante da detecc¸˜ao de m´ultiplos obst´aculos por este tipo de sensor resulta em uma nuvem de pontos (KU- CHARCZYK, 2017). Os sensores YDLidar X4 e Lidar Lite V3, utilizados nesta pesquisa, possuem o objetivo de localizar obst´aculos diante de grandes faixas de distˆancias, sendo estes utilizados como a unidade principal de detecc¸˜ao.
4.2.2 VL53LXX
Os sensores LASER da linha VL53LXX s˜ao sensores baseados na tecnologia Time of Flight(ToF), capazes de identificar obst´aculos de maneira similar aos sistemas LIDAR, ou seja, calculado o tempo que leva para a luz viajar no meio at´e determinado alvo e retornar novamente para a unidade sensorial.
Este tipo de sensor possui baixo consumo de energ´etico, pequenas dimens˜oes e uma faixa de detecc¸˜ao de at´e 4 metros de distˆancia em uma frequˆencia de variac¸˜ao de at´e 50 Hz. Sua aplicac¸˜ao concentra-se em dispositivos eletrˆonicos e rob´oticos tais como VANTS, robˆos aspiradores de p´o, prateleiras inteligentes e entre outros (NOHARA et al., 2018).
4.2.3 SENSORES ULTRASS ˆONICOS
Sensores ultrassˆonicos ou tamb´em conhecidos por sonares, operam mensurando o tempo gasto pelo som para viajar at´e o alvo e voltar ao sensor (BEN-ARI; MONDADA, 2017). Diversos tipos de sonares podem ser encontrado no mercado, diferenciando-se pelo seu alcance de detecc¸˜ao, padr˜ao de feixe e prec¸o encontrado no mercado.
Por ser um dispositivo pequeno, barato e de f´acil integrac¸˜ao, este tipo de sensor ´e amplamente utilizado sobre v´arios tipos de aplicac¸˜oes podendo ser vistos como sistemas de aux´ılio de navegac¸˜ao de ve´ıculos para estacionar, navegac¸˜ao autˆonoma de robˆos, detecc¸˜ao de pessoas, entre outros (SINGH; BORSCHBACH, 2017).
A Tabela 2 apresenta os sensores de detecc¸˜ao de distˆancia escolhidos para esta pes- quisa. Eles foram selecionados em raz˜ao de seu baixo custo no mercado, faixa de detecc¸˜ao de no m´ınimo 2 metros de distˆancia, baixo consumo energ´etico e pequeno porte, permitindo ser facilmente integrado junto a VANTs do tipo multirrotores.
Tabela 2 - Sensores utilizados para conduzir os testes de detecc¸˜ao de obst´aculos.
Sensor Faixa de detecc¸˜ao Resoluc¸˜ao Corrente Custo
HC-SR04 2-400 cm 0,3 cm 15 mA 1$ RCW-0001 1-450 cm 1 mm 2,8 mA 1$ US-15 2-400 cm 0,5 mm 2,2 mA 2$ US-16 2-300 cm 3 mm 3,8 mA 2$ VL53L0X 0-200 cm 1 mm 19 mA 5$ VL53L1X 0-400 m 1 mm 16 mA 15$ YDLidar X4 0-10 m 1 mm 380 mA 99$ LidarLite V3 0-40 m 1 cm 135 mA 130$
Fonte: Pr´opria autoria.
4.2.4 NAVIO 2
Navio 2 trata-se de uma placa controladora desenvolvida pela empresa Emlid e utili- zada em diferentes tipos de unidades rob´oticas. Ela executa o sistema operacional Linux atrav´es da integrac¸˜ao de uma Raspberry Pi 3, fornecendo capacidade computacional para executar di- ferentes tipos de tarefas programadas e integrando uma s´erie de sensores inerciais para executar apurados controles de voo.
Esta placa controladora conta com 14 canais de sa´ıda PWM (Pulse Width Modula- tion), receptores GPS, IMU, conectividades com I2C, UART (Universal Asynchrounous Recei- ver Transmitter), ADC (Analog to Digital Converter) e USB (Universal Serial Bus), al´em de tripla redundˆancia em seu circuito de alimentac¸˜ao (MEGALINGAM et al., 2018).
4.2.5 ARDUPILOT
O Ardupilot ´e um software de navegac¸˜ao de c´odigo aberto amplamente utilizada por diversos tipos de plataformas rob´oticas. Este software ´e executado em uma ampla variedade de plataformas de hardware incluindo a Navio2 e a conectividade de m´ultiplos sensores utili- zados para a navegac¸˜ao do VANT, isto ´e, GPS, IMU ou outros sensores adicionais, podem ser registrados e analisados por meio do software em quest˜ao.
Al´em disto, o software Ardupilot possibilita outros recursos como gerac¸˜ao de rotas em 3D para navegac¸˜oes semi-autˆonomas, interface com diversos tipos de sensores e com diversos tipos de simuladores tais como AirSim, Gazebo, RealFlight e entre outros (LUO et al., 2019).
4.2.6 V-REP
O V-REP ´e um ambiente de desenvolvimento e simulac¸˜ao rob´otica baseado em uma arquitetura de controle distribu´ıdo que permite que um sistema complexo seja subdividido em m´odulos simples, podendo ser programados independentemente e controlados por um script interno.
Al´em disto, o V-REP permite a possibilidade de controle atrav´es de diferentes ca- minhos, como script, plug-in, cliente remoto ou mesmo por um n´o ROS, simulando v´arios tipos de sistemas rob´oticos e aplicando funcionalidades como processos de planejamento e movimentac¸˜ao, modelos f´ısicos e dinˆamicos, detecc¸˜ao de obst´aculos por unidades sensoriais e entre outros (FONTANELLI et al., 2018).
4.2.7 GPS RTK
Diferentemente dos GPS tradicionais dispon´ıveis para uso civil e que possuem erros de precis˜ao na ordem de metros de distˆancia, o GPS RTK utiliza um complexo algoritmo de processamento cinem´atico em tempo real para aumentar sua precis˜ao, o tornando extremamente preciso, podendo alcanc¸ar graus de precis˜ao centim´etricos.
Devido o baixo custo financeiro encontrado no mercado, o GPS RTK Reach da em- presa Emlid foi utilizado neste trabalho. Ele possui dois m´odulos que podem ser configurados como Base ou Rover. Uma vez estabelecido um ponto em solo determinado pelo m´odulo Base, ele envia constantemente ao m´odulo Rover dados para correc¸˜ao de coordenadas.
Assim o multirrotor equipado com o m´odulo Rover pode encontrar precisamente o ponto determinado. Cada um destes m´odulos possuem um processador Intel Edison e s˜ao con- figurados por um servidor local atrav´es de um aplicativo pr´oprio chamado Web Reach View (ERIKSSON, 2016).
4.2.8 RASPBERRY PI 3B+
Raspberry Pi ´e um Single Computer Board de pequenas dimens˜oes que executa o sis- tema operacional Linux. Por ser um sistema operacional livre e de c´odigo aberto, o linux permite o desenvolvimento de diferentes aplicac¸˜oes e funcionalidades que fazem uso de diver- sos tipos de dispositivos de hardwares acoplados junto a Raspberry tais como cˆameras, display, sensores, e entre outros.
Neste trabalho utilizou-se a Raspberry Pi 3B+ que possui um processador Broadcom BCM2837B0, Cortex-A53 64-bit SoC 1.4 GHz, conectividade de rede sem fio de banda dupla e de rede cabeada (2,4 GHz e 5 GHz), entrada para ´audio e v´ıdeo e pinos de conectividades GPIO
(General Purpose Input/Output) para acoplamento de diversos tipos de dispositivos.
4.2.9 ROBOT OPERATING SYSTEM (ROS)
O ROS ´e um middleware de c´odigo aberto que faz uso de ferramentas para desenvolvi- mento de software para unidades rob´oticas. O ROS fornece servic¸os de abstrac¸˜ao de hardware, controle de dispositivos de baixo n´ıvel, mecanismo de troca de mensagens entre processos e gerenciamento de pacotes.
Al´em disto, a comunidade que usa o ROS fomenta o reuso do c´odigo dentro do campo da rob´otica, objetivando fornecer a pesquisa e desenvolvimento tecnol´ogico. Facilitac¸˜ao de integrac¸˜ao, independˆencia da linguagem de programac¸˜ao, facilitac¸˜ao de testes e ser escal´avel s˜ao caracter´ısticas pr´oprias do ROS que objetiva ser uma soluc¸˜ao de integrac¸˜ao e centralizac¸˜ao de informac¸˜oes dedicadas `a ´area da rob´otica (FERR ˜AO, 2018).
4.2.10 PROT ´OTIPO VANT MULTIRROTOR
O prop´osito do VANT desenvolvido para este tabalho ´e o de validar um modelo de distribuic¸˜ao de sensores que detecte obst´aculos em uma torre el´etrica. Para isto, uma conjunto de componentes associados ao prot´otipo multirrotor fornece controle e estabilidade, possibi- litando conduc¸˜oes de voos seguros e o transporte de diversos elementos sensoriais utilizados neste trabalho.
A figura 15 apresenta a arquitetura de hardware do VANT montado para este traba- lho, cuja capacidade operacional permite transportar as unidades sensoriais de detecc¸˜ao de obst´aculos e posicionamento de precis˜ao descritos nas subsec¸˜oes anteriores.
4.2.11 COMPONENTES DA TORRE DE ALTA TENS ˜AO
Visando a adequac¸˜ao da caracterizac¸˜ao dos sensores para a aplicac¸˜oes de inspec¸˜ao, foram selecionados componentes comumente presentes em torres de alta tens˜ao. Foram esco- lhidos os componentes ilustrados na figura 16 cuja dimens˜oes, geometria e material servir˜ao como base fundamental para an´alise das curvas de respostas pelos sensores utilizados nesta pesquisa.
Diferentemente das demais pec¸as, a chapa de metal (P8) foi utilizada com a finalidade de indicar a capacidade m´axima de percepc¸˜ao dos sensores devido a sua geometria de f´acil identificac¸˜ao. Desta forma possibilita-se comparar as curvas de respostas de um objeto de f´acil percepc¸˜ao diante de demais objetos que possuem geometrias complexas para percepc¸˜ao.
Figura 15 - Arquitetura de hardware do prot´otipo VANT multirrotor.
Controlador de voo
Fonte: Pr´opria autoria