OTIMIZAÇÃO DA SEGURANÇA EM CANTEIROS DE OBRAS UTILIZANDO VEÍCULOS AÉREOS NÃO TRIPULADOS (VANTS) COM CONTROLE DE VOO VIA ARDUINO YUN

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Otimização da segurança em canteiros

de obras utilizando veículos aéreos não

tripulados (vants) com controle de voo

via arduino yun

Bruna Bugarin Tavares Gonçalves2_; Cynthia Leonis Dias Cintra3

1 Instituto Federal de Ciência e Tecnologia do Maranhão - IFMA, Departamento de Construção Civil. E-mail: jsnascimento1@hotmail.com; 2 Faculdade Pitágoras, Departamento Engenharia. E-mail: brunabugarin@hotmail.com;

3 Instituto Federal de Ciência e Tecnologia do Maranhão (IFMA), Departamento de Construção Civil. E-mail: cynthia@ifma.edu.br;

RESUMO

Ao longo dos anos, a indústria da construção civil tem passado por constantes evoluções e transformações. Entretanto, nota-se um atraso na implantação de tecnologia de disposi-tivos móveis para melhorias no setor. Na área de gestão de segurança, esse ponto de vista é mais acentuado, uma vez que vários avanços tecnológicos podem ser utilizados em be-nefício da otimização desse setor de operação da construção. Uma dessas tecnologias é a implantação da tecnologia de veículos aéreos não tripulados (VANTs), em inglês Unman-ned Aerial Veicheles (UAV), também conhecidos como drones. Na construção civil, seu uso ainda é limitado, principalmente para o suporte de inspeção no setor de segurança em canteiro de obras. O presente trabalho tem como objetivo investigar, de forma teórica, como os drones podem ser benéficos para a otimização da segurança na construção civil, mostrando um modelo a ser utilizado com o seu controle de voo realizado via Arduino Yun, fornecendo gerenciadores de segurança com rapidez, tais como imagens e vídeos em tempo real de inspeção no campo de limitação da obra, a fim de facilitar a inspeção de segurança do local de trabalho.

Palavras chave: Construção civil. Drones. Segurança.

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Optimization of safety in workstrades

using non-tripulated air vehicles (vants)

with voice control via arduino yun

ABSTRACT

Over the years, the construction industry has undergone constant changes and changes. However, there is a delay in deploying mobile device technology for industry improve-ments. In the area of safety management, this point of view is more pronounced, since several technological advances can be used to benefit the optimization of this sector of construction operation. One such technology is the deployment of Unmanned Aerial Veicheles (UAV) technology, also known as drones. In civil construction, its use is still limited, mainly for the support of inspection in the sector of security in construction site. The present work aims to investigate in a theoretical way, how the drones can be benefi-cial for the optimization of safety in the civil construction, showing a model to be used with its control of flight realized through Arduino Yun, providing security managers with speed, such as images and real-time video inspection in the field limitation of the work, in order to facilitate safety inspection of the workplace.

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1 INTRODUÇÃO

O setor da construção civil vive em constan-te transformação e adaptação. A fim de se manter competitivo no mercado, tem bus-cado soluções eficientes e de baixo custo que elevem a produção e a qualidade de serviços. Dentre os problemas enfrentados pela área, a falta de organização em canteiro de obras tem ocasionado prejuízos, devido à inefici-ência dos processos de logística e seguran-ça do ambiente em construção, acarretando em falhas no cumprimento de prazos, negli-gência das obras, aumento de custo, etc. Diante disso, Hissam e Terrence (2001) ob-servam a necessidade de ferramentas que auxiliem no melhor gerenciamento do can-teiro, proporcionando, assim, a otimização do espaço e de segurança. Nesse contexto, Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs), em inglês Unmanned Aerial Vehicles/Sys-tems, ou popularmente conhecidos como drones são aeronaves projetadas para pilo-tar sem a presença de um piloto a bordo, capazes de auxiliar em diversas atividades de construção de maneira rápida, eficien-te e com baixo custo. De acordo com Mi-tishita et. al (2014), alguns estudos já são realizados na construção civil utilizando VANTs, como aerofotogrametria, mapea-mento de áreas de risco, montagem de es-truturas metálicas, monitoramento e con-trole de trafego, manutenção de rodovias, entre outros. Porém, o estudo voltado para a implantação dessas aeronaves para apoiar o monitoramento de tarefas gerenciais, tais como logística, inspeção e segurança de canteiros, ainda é muito limitado.

Desta forma, o presente trabalho propõe de um viés teórico a respeito da utilização dessas aeronaves, acopladas a plataformas externas de hardware utilizadas para o con-trole de voo, para inspeção de segurança, uma vez que tal atividade necessita de uma visão mais ampla em um canteiro e locais de obra de difícil acesso às pessoas.

2 DRONES

Drone é um termo utilizado para definir um veículo voador não tripulado, ou aeronave que não necessita de um piloto para o seu funcionamento. Existem vários modelos diferentes no mercado. Porém, podemos classificá-los em duas categorias: asa rotati-va (Figura 1) e asa fixa (Figura 2). Os de asa rotativa assemelham-se a um helicóptero e costumam ser compactos, de fácil operação e baixo custo. Sua estrutura permite me-lhor estabilidade de voo. Possuem grande versatilidade, com decolagem e pouso ver-tical (não necessitam de pista para tal), e boa estabilidade. São muito utilizados para filmagens aéreas devido a sua facilidade de uso, mas esbarram na maioria das vezes na autonomia de voo limitada, restringindo sua utilização em algumas aplicações. Hoje existem várias fabricantes de asas rotativas de alto desempenho com até 90 minutos de autonomia, e há preço, em contraparti-da, a partir de 90 mil.

Já os de asa fixa apresentam vários tama-nhos, funcionalidades e são mais susceptí-veis aos ventos fortes. Assemelham-se a um

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avião, possuindo sustentação aerodinâmi-ca a partir do fluxo de ar nas asas. Possui uma autonomia maior e custo reduzido na grande maioria das vezes, o que contribui para sua utilização em aplicações como mapeamento aéreo, para o qual é necessá-ria a cobertura de grandes áreas. Relativa-mente mais difícil de operar, os sistemas de piloto automático fazem praticamente todo o trabalho, desde a decolagem até o pouso automático. A variedade deste tipo de equipamento aumenta a cada ano, as-sim como os sensores e câmeras que podem ser embarcados. No Brasil, atividades de voo comercial com drones são regularmen-te monitoradas pela Agência Nacional de Aviação Civil (ANAC). De acordo com a Lei 11.182/2005 (BRASIL, 2005), a operação comercial de uso de veículos aéreos não tri-pulados está pendente, permitindo apenas o uso experimental para fins de pesquisa, desenvolvimento, levantamento de merca-do, treinamento de pilotos e outras deman-das específicas e autorizademan-das pela ANAC.

Figura 1: Drone com asa rotativa

Fonte: Adaptado por Nascimento (2017).

Figura 2: Drone com asa fixa

Fonte: Adaptado por Nascimento (2017).

De um modo geral, todo drone possui um sistema de comunicação, um controlador de voo, hélices acopladas, dispositivos con-troladores de velocidade dos motores, ba-terias e sensores para informar o nível de inclinação do drone, pois é através des-sa inclinação que ele acelera ou dedes-sacele- desacele-ra cada motor, de forma individual, padesacele-ra mantê-lo nivelado. Segundo Paula (2012), um quadricoptero tem a capacidade de rea-lizar quatro movimentos básicos (arfagem, guinada, rolagem e altitude). Essas informa-ções de movimentos são transmitidas para o controlador de voo através do sistema de comunicação que interpreta a informação e comunica aos controladores de velocidade dos motores a potência necessária que cada um deve receber, fazendo, assim, o contro-le de rotação correta e de forma individual de cada motor acoplado. O conjunto destes elementos formam a base de qualquer veí-culo aéreo não tripulado.

Na construção civil, os avanços de pesquisa com drones ainda é recente. No entanto, estudos demonstram crescimento da apli-cação quanto a atividades de monitora-mento e inspeção. Mitishita et al. (2014)

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desenvolveu um estudo utilizando as ima-gens aéreas capturada por VANTs para mo-nitorar áreas rurais através da geração de ortoimagens. Outras aplicações também são encontradas, como detecção de danos em estruturas, monitoramento de estradas não pavimentadas através da captura de imagens feitas por drones, monitoramento e avaliação de danos e manutenção em pa-vimentos rodoviários, etc.

3 CANTEIRO DE OBRAS:

PLANEJAMENTO

Canteiros de obras podem ser definidos como áreas de trabalho fixa e temporária, nas quais são desenvolvidas operações de apoio e execução de uma construção. O processo de planejamento do canteiro tem por objetivo otimizar a utilização do espaço físico disponível, de maneira que possibili-te o trabalho com segurança e eficiência de homens e máquinas. Saurin (1997) classifi-ca os objetivos que um classifi-canteiro deve atin-gir em duas categorias:

a) Objetivo de baixo nível: promover ope-rações eficientes e seguras de forma a man-ter alta motivação dos empregados;

b) Objetivo de alto nível: minimizar distân-cias de viagem e tempo de movimentação pessoal e materiais, a fim de diminuir ao máximo o tempo de manuseio de materiais enquanto aumenta-se o tempo produtivo evitando, dessa forma, obstruções ao movi-mento de materiais e equipamovi-mentos.

Embora os objetivos de um canteiro sejam bem definidos, não existe solução rápida, fácil e imediata para o seu planejamento,

devido as muitas variáveis que tornam cada projeto da construção civil ímpar. Apesar disso, existem vários princípios básicos, considerações e critérios que, aplicados de maneira correta e com bom senso, po-dem auxiliar os planejadores a uma solu-ção satisfatória. Os procedimentos formais devem ser necessários para a atividade de planejamento de canteiros, pois facilitam a focalização de detalhes e, por conseguinte, diminuem a possibilidade de esquecimento de pontos importantes em uma obra, tais como inspeção devida, logística e seguran-ça no ambiente.

3.1 Logística e segurança em canteiros de obras

Na construção civil, a segurança do traba-lho em um canteiro de obras está ligada diretamente à sua logística. Hissam e Ter-rence (2001) destacam que acidentes, como queda de objetos envolvendo equipamen-tos ou veículos em canteiros, estão relacio-nadas ao mau uso do espaço, desorganiza-ção do ambiente ou acontecem por causa de falhas e desvios de comportamento in-dividual de funcionários. O procedimento mais comum de segurança utilizado é a rea-lização de inspeções no canteiro, com o ob-jetivo de verificar frequentemente as con-dições do ambiente no qual os trabalhos estão sendo realizados. Melo e Costa (2015) descrevem que o processo de inspeção se-gura no ambiente de trabalho da constru-ção civil segue três características básicas: a frequência, a observação direta e a intera-ção com os funcionários. Isto é, o gestor de segurança necessita fazer inspeções diárias e frequentes caminhando por todo o

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teiro, a fim de verificar se as atividades em exercício estão sendo executadas conforme os critérios de segurança. Porém, na maioria das construções e obras civis, canteiros possuem tamanho significativo e uma quantidade de atividades considerável. Dessa forma, o tem-po gasto para observar e inspecionar o ambiente da construção se eleva.

De modo a suprir essa carência de forma eficiente e ágil, os recursos visuais de alta tecno-logia, como Veículos Aéreos não Tripulados (VANTs), ou popularmente conhecidos por drones, apresentariam grande potencial ainda inexplorado para a execução de tarefas de inspeção e segurança dentro dos canteiros. A aeronave seria capaz de sobrevoar de forma automatizada a área delimitada pelo canteiro e, assim, fornecer informações em tempo real, de forma precisa e com um gasto de tempo reduzido quando comparado ao mesmo processo feito de forma tradicional.

Saurin (1997) selecionou os elementos mais comuns localizados em um canteiro de obras e que são passiveis de inspeção visual por meio do sobrevoo de um drone ao logo de toda a área delimitada, apresentados no Quadro 1.

Quadro 1: Elementos a serem inspecionados durante o sobrevoo de um drone em um

canteiro de obras

Área de verificação Itens inspecionados

Instalações provisórias

Localização das instalações do canteiro; Condições físicas das instalações;

Monitoramento das rotas de pessoas e materiais.

Segurança da obra

Proteção contra queda no perímetro dos pavimentos (guar-da-copo e rodapé);

Plataforma de proteção (bandeja salva-vidas); Sinalização de segurança;

Andaimes suspensos e simplesmente apoiados; Elevadores Cremalheira, Guincho e Grua. Sistema de

movimenta-ção e Armazenamento de materiais

Condições das vias de circulação do canteiro; Monitoramento do tráfego de materiais;

Condição de armazenagem dos materiais na área externa (agregados, argamassa, blocos, tijolos, aço, tubos de PVC,etc) Análise dos impactos na

vizinhança da área deli-mitada

Rotas e trânsito na área externa do canteiro devido a entrada e saída de caminhões;

Potencial de poluição de ruas/avenida devido ao descarrega-mento de materiais (concreto entre outros).

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4 MÉTODO DE PESQUISA

A estratégia inicial para o desenvolvimento deste trabalho consiste em etapas de estudos exploratórios e empíricos que auxiliam na pesquisa, criando conhecimento teórico durante os processos de concepção ou aplicação de um artefato projetado. Segundo Hevner et al (2004), essa meta-teoria definida como Design Science Research não anseia alcançar verda-des absolutas, granverda-des teorias ou leis gerais, mas sim identificar e compreender problemas do mundo real e propor soluções adequadas, fazendo avanços no conhecimento teórico de determinada área.

A etapa de estudos exploratórios tem por objetivo realizar a identificação do problema real a ser estudado para que, dessa forma, obtenha-se melhor entendimento sobre como deve ser desenvolvido o uso do drone para o monitoramento e inspeção do canteiro de obras, conforme os processos gerenciais em obras, logísticas e segurança.

A etapa de estudos empíricos, por outro lado, visa à construção do artefato, que, no pre-sente trabalho, envolve a escolha de um drone AR.Drone 2.0 parrot, que terá o seu plano de voo automatizado via Arduino para transmissão e recepção de dados durante a inspe-ção do canteiro. Deverão ser levantadas, inicialmente, as práticas de segurança e logística do ambiente em construção com base nos requisitos dos gestores de segurança de obras. Tais práticas serão colhidas por meio de documentos de checklist de segurança, entrevis-tas e reuniões com gestores dos canteiros participantes.

5 DRONE PROPOSTO NA METODOLOGIA

Para o desenvolvimento do presente trabalho, é proposto a utilização de um AR.Drone 2.0 parrot, conforme mostra a Figura 3, pois esse tipo de aeronave possui quatro hélices, baixo custo para fins acadêmicos e científicos, altura de voo elevada para necessidade de fotografias aéreas e gravação de vídeos em tempo real em canteiros de obras.

Figura 3: AR.Drone 2.0 parrot:

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Quadro 2: Especificações técnicas do drone proposto na metodologia

Características Descrição AR.Drone 2.0

Câmera horizontal

Útil para controlá-lo à distância, bem como para utilização em técnicas de mapeamento e localização.

1280 x 720 (720p HD)

Câmera Vertical

Útil para visualizar o solo e ainda, através de um algoritmo de comparação de ima-gens, mede a velocidade do voo.

320 x 240 (QVGA)

Acelerômetro

Para medir a força aplicada ao drone, in-formando a sua inclinação em um deter-minado eixo.

3 eixos Giroscópio Obtenção da direção do drone. 3 eixos Sensor de pressão Maior estabilidade durante os voos verticais. Sim Ultrassom Medir a altura do drone, isto é, a distância

do artefato em relação ao solo. Sim Magnetômetro Uma bússola 3D, útil no Absolute Control. 3 eixos

Absolute Control

Recurso interessante no AR.Drone 2.0 pois, através do magnetômetro,

o referencial para o controle do quadricóp-tero será o ponto de visão do usuário.

Sim

Kernel Linux Sistema adepto ao uso de software livre 2.6.32

Processador

Circuito constituído por uma série de tran-sístores que podem executar operações ló-gicas e matemáticas.

ARM Cortex A8 32b 1GHZ

RAM Memória de acesso aleatório 1 GB WiFi Conexão com internet sem fio

-Fonte: Afonso (2014).

O quadro 2 mostra algumas especificações do drone proposto. Embora o manuseio do AR.Drone 2.0 parrot seja possível via dispositivos móveis e com aplicativos em plataformas IOS ou Android, seu controle de voo utilizando esses aparelhos não é simples. O controle via aplicativos em aparelhos celulares ou tablets é muito instável, devido aos comandos virtuais obtidos via Joystick no aplicativo possuírem uma resposta de sensibilidade muito maior do que a obtida em comandos via botões físicos. A ideia do presente trabalho é inte-grar um controle físico capaz de comandar o voo do Veículo aéreo não tripulado utilizando a plataforma de prototipagem eletrônica de hardware livre e de placa única Arduino Yun.

71 Figura 4: Arduino Yun e seus componentes:

Fonte: RoboCore (2017).

O Arduino Yun (Figura 4) é uma placa mi-crocontroladora que possui chip ATme-ga32u4 e processador Atheros AR9331. O ATmega32u4 é um microcontrolador CMOS-8 bits de baixo consumo, com base na arquitetura aprimorada AVIS RISC e ca-paz de executar instruções poderosas e pre-cisas em um único ciclo de clock com apro-ximações de 1 MIPS/MHz, permitindo que o design do sistema otimize o consumo de energia e a velocidade de processamento. A placa possui entrada para cabo ethernet com conector RJ-45, módulo Wifi para co-nexão à internet sem fio, uma porta USB--A, onde é possível colocar periféricos, 20 pinos digitais de entrada/saída, que podem ser controlados usando os mesmos méto-dos comuns do Arduino (7 podem ser dos como saída PWM e 12 podem ser usa-dos como entradas analógicas) e 3 botões de reset com funções distintas (O botão próximo ao conector RJ45 serve para rese-tar o chip do Arduino, como em qualquer placa Arduino. O botão próximo aos pinos analógicos serve para resetar o processador AR9331 com todas as informações de RAM

e o botão ao lado do conector USB-A serve para resetar as configurações de rede WiFi para as configurações de fábrica).

Esta placa se diferencia das outras devido ao fato de conseguir facilmente fazer uma co-municação entre os pinos e o Linux rodando na placa. Dessa forma, um poderoso compu-tador em rede é capaz de ser criado com as facilidades da programação do Arduino.

6 CONCLUSÃO

Propondo a otimização da inspeção de can-teiros de obra em construção civil utilizan-do drones para controle de voo realizautilizan-do via Arduino Yun, espera-se, com o presen-te trabalho, inpresen-tegrar a plataforma de pro-totipagem eletrônica de hardware e placa única ao controle físico do voo do veículo aéreo não tripulado (VANT), garantido uma melhor estabilidade e manuseio via pressio-namento de botões, quando comparadas à alta sensibilidade de aparelhos utilizados como controles remotos, tais como tablets ou smartphones com plataforma IOS/An-droid que possuem telas sensíveis e ocasio-nam a instabilidade de comando.

Espera-se ainda, o desenvolvimento de di-retrizes para a utilização de drones na cons-trução civil que possibilitem o monitora-mento de obras, com ênfase na segurança e logística do ambiente em construção, to-mada de decisões gerenciais utilizando as imagens obtidas pelos VANTs após o pro-cesso de inspeção e o aumento do conhe-cimento na utilização de drones para reali-zação de atividades gerenciais, redução de custos, tempo e aumento na eficiência de atividades de vistoria em canteiros.

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REFERÊNCIAS

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