CONIC-SEMESP

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TÍTULO: RPAS E SUAS APLICAÇÕES NO MONITORAMENTO DE CONDIÇÕES DE PAVIMENTAÇÃO ASFÁLTICA EM RODOVIAS

TÍTULO:

CATEGORIA: CONCLUÍDO CATEGORIA:

ÁREA: CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA ÁREA:

SUBÁREA: Engenharias SUBÁREA:

INSTITUIÇÃO(ÕES): FACULDADE MATER DEI - FMD INSTITUIÇÃO(ÕES):

AUTOR(ES): MILLENA MARASSI BINOTTO AUTOR(ES):

ORIENTADOR(ES): TAYONA CRISTINA GOMES ORIENTADOR(ES):

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RPAS E SUAS APLICAÇÕES NO MONITORAMENTO DE CONDIÇÕES DE PAVIMENTAÇÃO ASFÁLTICA EM RODOVIAS

Millena Marassi Binotto 1 Professora Orientadora Tayoná Cristina Gomes 2

RESUMO

Rodovias exigem monitoramento constante pois sofrem desgastes devido ao aumento de volume de tráfego e tempo. Neste contexto, esse artigo apresenta os RPAS Remotely Piloted Aircraft Systems) como instrumento de auxilio no monitoramento de condições de pavimentação asfáltica, através da geração de imagens em alta qualidade. Foi realizado um voo na rodovia PRC 158, trecho correspondente ao quilômetro 536, onde foram obtidas imagens em diferentes alturas a fim de se evidenciar o nível de detalhamento obtido para análise de informações como falhas na pavimentação e imperfeições na rodovia. Os resultados desse artigo apresentam a viabilidade do monitoramento de rodovias com RPAS como ferramenta auxiliar para o método de inspeção já utilizado.

Palavras-Chave: RPAS. Veículo Aéreo Não Tripulado. Monitoramento de rodovias. ABSTRACT

Highways require constant monitoring because they suffer wear and tear over time due to increased traffic volume. In this context, this paper presents the RPAS as instruments in the monitoring of asphalt paving conditions, through the generation of high-quality images. A flight was performed over the PRC 158 highway, specifically over its stretch corresponding to kilometer 536. Throughout the flight, images were generated at different heights to highlight the intricate detailing possible to obtain for analysis of information such as pavement failures and road imperfections. The results of this study validate the viability of road monitoring with the usage of RPAS through the high-quality images obtained.

Keywords: RPAS. Unmanned aerial vehicle. Road monitoring.

1_{Acadêmica do curso de Engenharia Civil da Faculdade Mater Dei.} 2_{Professora Ma. Tayoná Cristina Gomes.}

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1 INTRODUÇÃO

Veículos aéreos não tripulados, conhecidos como Remotely Piloted Aircraft Systems (RPAS), UAV (Unmanned Aerial Vehicle), popularmente chamados de Drones, representam uma gama de aeronaves que tem capacidade de realizar monitoramento de fronteiras, estradas e florestas, auxílio em plantações, cinegrafia, fotografia entre outros. Originalmente estas aeronaves surgiram como precursoras da aviação tripulada, como tentativa de desenvolvimento de aviões tripulados durante a primeira metade do século XIX. Nos anos 50, os Drones começaram a ter seu uso mais disseminado na área militar, tanto por questões de vigilância quanto combate (REJADO, 2015).

Segundo Herreros (2015), suas aplicações se dão nos mais variados campos, como controle da qualidade do ar, cartografia, agricultura, exploração de recursos minerais, controle de obras e avaliação de impactos, monitoramento de linhas de transmissão de energia, estabilidade de taludes, pontes e viadutos, dutos, torres eólicas, linhas de transmissão de energia, problemas de drenagem, dentre outros.

No campo da engenharia civil, mais precisamente no monitoramento de rodovias é possível utilizar os RPAS como instrumento de auxílio em inspeções de defeitos de pavimentação asfáltica. Utilizando extração e processamento de imagens feitas com veículos aéreos não tripulados, o exame visual de pavimentos torna-se agora muito mais fácil e confiável em comparação com a utilização de métodos convencionais, o que requer grande quantidade de trabalho humano, levando a análises menos precisas e com o potencial de produzir resultados mais tendenciosos (AHMET et al., 2017).

No Brasil, segundo dados da Confederação Nacional dos Transportes (CNT), dos 105.814 km de rodovias estaduais e federais pavimentadas analisados em 2017, 61,8 % apresentam algum tipo de problema, dentre eles desgaste e trincas no pavimento, além de problemas na sinalização e geometria da via. No ano de 2016, a mesma pesquisa avaliou 103.259 km de rodovias pavimentadas no país, e 58,2% apresentaram algum problema. Os problemas mais comuns encontrados nas inspeções de pavimentação asfáltica são fendas, afundamentos, corrugação e ondulações transversais, exsudação, desgaste ou desagregação, panela ou buraco e remendos (BERNUCCI et al., 2010). Ainda de acordo com o autor, outros defeitos são também importantes e devem ser considerados para uma análise da solução de

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restauração: escorregamento do revestimento asfáltico, polimento de agregados, bombeamento de finos, trincas de borda próximas aos acostamentos e parabólicas, falhas do bico espargidor, desnível entre pista e acostamento, marcas impressas na superfície – marcas de pneus, empolamento ou elevações por expansão ou raízes de árvores, entre outros.

A manutenção das estradas de rodagem, além de custosa, necessita o deslocamento prévio de técnicos para avaliar o ambiente e definir os pontos a serem reparados. Esta análise, na maioria das vezes, é feita in situ de forma manual com interpretação visual de informações (DI RENZO, 2017). Analisar defeitos de pavimentação asfáltica sem que haja necessidade de interrupção do tráfego, permitindo uma análise criteriosa dos dados obtidos através de imagens, é uma das principais vantagens oferecidas pelos RPAS, uma vez que esta tecnologia permite fotografar e filmar locais de difícil acesso, diminuindo os riscos de trabalhadores, bem como os custos de operação.

O problema da pesquisa em questão é a capacidade de gerar dados suficientemente qualitativos, onde seja possível analisar as imagens geradas a partir dos RPAS, com a mesma precisão da análise em campo, comprovando sua eficiência como instrumento de auxílio no monitoramento de condições de pavimentação asfáltica das estradas de rodagem.

O objetivo é inspecionar defeitos de pavimentação asfáltica na rodovia PR-158, no trecho correspondente ao quilômetro 536, através da análise de imagens geradas pelo RPA. O trecho foi escolhido com base no estado da pavimentação asfáltica do local, onde há vários problemas de manutenção e falta de drenagem. Neste trabalho foi utilizado o RPA DJI PHANTON 4 ADVANCED, homologado pela Agencia Nacional de Telecomunicações (ANATEL). Este RPA conta com uma câmera de bordo equipada com um sensor de 20 megapixels de 1 polegada (DJI, 2018).Vale ressaltar que a empresa DJI é a maior fabricante de RPAS classe 3, onde se caracterizam aeronaves não tripuladas com peso máximo de decolagem de até 25kg, que opere somente em linha de visada visual (VLOS) até 400 pés.

A metodologia adotada consiste em efetuar um voo na região, onde serão coletadas imagens do trecho em determinado intervalo de tempo, que serão analisadas posteriormente. Para que o voo possa ser realizado existem algumas exigências previstas pela Agencia Nacional de Aviação Civil (ANAC) e pelo Comando da Aeronáutica, através do Regulamento Brasileiro Da Aviação Civil Especial

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RBAC-E nº 94 e da Instrução do Comando da Aeronáutica ICA 100-40 (Sistemas De Aeronaves Remotamente Pilotadas e o Acesso Ao Espaço Aéreo Brasileiro) respectivamente. É necessária a obtenção de uma autorização especial, obtida através do Sistema de Aeronaves Não Tripuladas (SISANT), onde o operador deve cadastrar a aeronave, bem como o piloto remoto, sendo este um documento emitido pela ANAC. É necessário também uma autorização de solicitação de acesso ao espaço aéreo brasileiro por aeronaves não tripuladas, denominado Solicitação de Acesso de Aeronaves Remotamente Pilotadas (SARPAS), além de uma autorização do chefe local responsável pela rodovia que será monitorada pelo RPA. De acordo com a RBAC E94, a aeronave deve possuir seguro contra terceiros, documento que contém a avaliação de risco e manual de voo.

Este trabalho, apresenta as principais vantagens da utilização de RPAS como instrumento de auxílio no monitoramento de condições de pavimentação asfáltica de estradas de rodagem, bem como a problemática da pesquisa, além de realizar um levantamento bibliográfico e apresentar um levantamento qualitativo de imagens geradas com RPAS. Por fim, é apresentada uma conclusão para a problemática da pesquisa.

2 RPAS

2.1 LEGISLAÇÃO VIGENTE

A implementação de um panorama regulatório harmonizado tem sido exigência pelas partes interessadas de Sistemas Aéreos Não Tripulados a fim de eliminar as barreiras para a certificação e comercialização desses sistemas em todo o mundo (MOLINA, 2014). No Brasil, a ANAC (Agência Nacional de Aviação Civil) regulamentou o uso comercial de RPAS no ano de 2017, através do Regulamento Brasileiro de Aviação Civil Especial n° 94 (RBACE-94) intitulado “Requisitos Gerais para Aeronaves Não Tripuladas de Uso Civil”, sendo a principal legislação vigente para voos executados por RPAS. Dentre as principais orientações deste regulamento, estão previstas algumas exigências para operação, como certidão de cadastro, certificado de aeronavegabilidade válido, manual de voo, apólice de seguro e documento contendo avaliação de risco da missão.

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serem operados. A medida visa evitar interferências desses aparelhos em outros serviços, como as comunicações via satélite (PORTAL BRASIL, 2017).

Tendo em vista o aumento da comercialização e necessidade de uso e operação de RPAS com fins não recreativos, o Departamento de Controle do Espaço Aéreo (DECEA), publicou em dezembro de 2016 a segunda edição da Instrução do Comando da Aeronáutica (ICA 100-40), viabilizando assim, o acesso ao espaço aéreo brasileiro por aeronaves não tripuladas (ANAC ICA 100-40, 2016).

A fim de facilitar o processo de obtenção de autorização especial para operar, a ANAC disponibilizou Sistema de Aeronaves Não Tripuladas (SISANT), onde o operador RPAS pode cadastrar as aeronaves e o piloto remoto, com base nos parâmetros estabelecidos no RBAC-E94. Após o cadastro SISANT, se faz necessária a obtenção de solicitação para ocupação de espaço aéreo não privado com fins não recreativos, através de uma autorização prevista na legislação denominada Solicitação de Acesso de Aeronaves Remotamente Pilotadas (SARPAS), obtida por meio do sistema do Departamento de Controle do Espaço Aéreo (DECEA) (DEPARTAMENTO DE CONTROLE DO ESPAÇO AÉREO, 2016).

De acordo com a Instrução Suplementar n° E94-003A da ANAC, para elaboração da avaliação de risco da missão devem ser fornecidas informações contendo o cenário operacional, dados do operador e registro da aeronave, além da classificação da missão em um de cinco níveis de risco possíveis, dentre eles: Risco muito baixo, baixo, moderado, alto e extremo.

2.1 CARACTERÍSTICAS DO RPA PHANTON 4

Phanton 4 modelo Advanced é um dos modelos de RPA do tipo multirotor mais comercializados no mundo. Fabricado pela empresa DJI, uma chinesa gigante na fabricação de veículos aéreos não tripulados, principal responsável pela popularização dos RPAS classe 3. A ANAC, seguindo uma tendência mundial, subdividiu em três classes as aeronaves comercializadas de acordo com o peso máximo de decolagem. As aeronaves classe 3, tem peso máximo de decolagem de até 25 kg, enquanto que a classe 1 tem peso máximo maior que 150 kg e a classe 2 entre 25 e 150 kg. O RPA phanton 4 Advanced tem peso de 1.368 gramas podendo atingir até 6000 metros de altitude em relação ao nível médio dos mares e velocidade máxima de 20 m/s. Tem resistência máxima a velocidade do vento de 10 m/s e conta

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com sistemas de posicionamento por satélite GPS E GLONASS, sistemas americano e russo, respectivamente. Sua bateria permite voos de 28 minutos no máximo e opera entre 0 a 40° celsius (DJI, 2018).

O Phantom 4 Advanced pode executar voos de forma otimizada em diferentes situações, dependendo dos requisitos. Existem três modos de voo principais: Position (P), Sport (S) e Atti. No modo P, estão disponíveis detecção de obstáculos e posicionamento GPS (TOPDRONE, 2018).

2.2 MONITORAMENTO DE CONDIÇÕES DE PAVIMENTAÇÃO ASFÁLTICA EM RODOVIAS

A avaliação de um pavimento de acordo com Gonçalves (1999), compreende um conjunto de atividades destinadas à obtenção de dados, informações e parâmetros que permitam diagnosticar os problemas e interpretar o desempenho apresentado pelo pavimento, de modo a ser possível detectar as suas necessidades atuais e futuras de manutenção e se prever as consequências da implementação de estratégias alternativas de manutenção.

O Departamento Nacional de Infraestrutura e Transportes (DNIT) determina algumas instruções, de acordo com a norma 003/2003 (Levantamento visual contínuo para avaliação da superfície de pavimentos flexíveis e semirrígidos - Procedimento), no monitoramento das condições da pavimentação, dentre elas, uso de um veículo equipado com velocímetro/odômetro calibrado para aferição da velocidade de operação e das distâncias percorridas além de uma equipe de no mínimo dois técnicos, além do motorista do veículo. O trecho deve ser percorrido a uma velocidade média de 40 km/h em um único sentido, levando-se em consideração simultaneamente duas ou mais faixas de tráfego. Devem ser avaliadas trincas, remendos, panelas, afundamentos, ondulações, além de outros defeitos como escorregamento do revestimento betuminoso, exsudação e desgaste.

Os UAV podem ser empregados em uma ampla gama de operações de transporte e aplicações de planejamento; monitoramento de tráfego, transporte, condições de pavimento, monitoramento de utilização de estacionamentos (CHOPADE; GURU, 2016).

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No monitoramento através da utilização de aeronaves autônomas, é possível obter imagens em diferentes alturas, o que permite uma maior área de abrangência, além da possibilidade de obter vídeos da área a ser monitorada.

De acordo com notícia divulgada pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), Cicero Martelli, Jean Carlos Cardozo da Silva e André Biffe Di Renzo desenvolveram, em parceria com a concessionária de rodovias Triunfo Concebra, um VANT para monitoramento de rodovias no Brasil. O equipamento já está em operação e faz parte do projeto “Metodologia para Monitoramento Remoto de Rodovias (VANTRod), desenvolvido em parceria com a Agência Nacional de Transportes Terrestres (ANTT).

3 MATERIAIS E MÉTODOS

Na aquisição das imagens foi utilizada uma câmera acoplada ao RPA da fabricante DJI, modelo Advanced de 12,4 megapixels. Foram obtidas imagens em diferentes alturas, de 15, 50 e 120 metros, a fim de se evidenciar o nível de detalhamento obtido. Todas as imagens possuem resolução de 4096×2160. As imagens deste artigo foram realizadas na rodovia PRC 158, km 536, no trevo de entroncamento da PRC 158 com a PR 280 na cidade de Vitorino – PR. As imagens foram obtidas no dia 04 de abril de 2018, horário entre 15:00 e 15:30 horas. As condições meteorológicas no dia eram favoráveis à realização do voo com temperatura de 24°C e velocidade média do vento de 6 km/h.

O voo foi realizado no modo P e foi executado um checklist prévio, uma vez que, mesmo um RPAS não sendo tão complexo e perigoso como uma aeronave tripulada, os pilotos possuem grande responsabilidade nesta atividade e uma série de averiguações antes de iniciar o voo. Desta forma, os riscos de qualquer acidente são consideravelmente reduzidos (REIS, 2016). Ainda de acordo com o autor, devem ser verificados os seguintes itens antes de iniciar o voo:

 Assegurar-se de conhecer bem as referências visuais da aeronave, observando se seus lados estão bem identificados, para que não perca o referencial em voo;

 Checar as baterias de todos os sistemas utilizados, RC, aeronave, sistemas de vídeo, etc;

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 Verificar cabos e conexões de sua aeronave, certificando de que nada está mal fixado ou solto;

 Ligar primeiramente o Transmissor e então ligar a aeronave (estando fora do alcance das hélices sempre);

 Certificar que os sensores estejam corretamente calibrados e operantes;  Verificar que a área de voo esteja livre não colocando em risco qualquer

pessoa com o RPS. 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES

Foram obtidas imagens em três diferentes alturas com o objetivo de verificar o nível de detalhamento. Os melhores resultados são das imagens obtidas entre 15 e 50 metros de altura devido ao nível de detalhamento. O voo seguiu todas as regras descritas na RBAC- Em° 94. As primeiras imagens foram obtidas a 15 metros de altura, onde é nítido o nível de detalhamento, sendo possível visualizar defeitos na pavimentação asfáltica tais como exsudação por excesso de material betuminoso, afundamentos e falhas ocasionados por falta de drenagem na pista conforme ilustrado na Figura 01. Na figura 02 é possível evidenciar um ponto negativo na aquisição da imagem, uma vez que devido ao horário no qual a imagem foi obtida, observa-se a sombra das árvores sobre a pista, fator que pode vir a prejudicar uma análise criteriosa.

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Figura 01 – Imagem obtida a 15 metros de altura. Fonte: Autoria Própria, 2018.

A 50 metros de altura pode-se visualizar uma área maior e ainda assim é possível constatar todos os defeitos na pavimentação asfáltica (Figuras 03,04 e 05).

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Na terceira etapa do voo foram obtidas imagens a 120 metros de altura (Figuras 06,07 e 08), nas quais é possível analisar uma área de abrangência maior, porém com nível de detalhamento menor. Neste caso pode-se obter informações referentes ao entorno da pista e fluxo de tráfego de veículos, porém pouco se pode afirmar sobre os defeitos da pavimentação.

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Em nenhuma imagem é possível visualizar as trincas contidas no pavimento, o que configura um ponto negativo no uso dos RPAS para monitoramento de condições de pavimentação asfáltica uma vez que as trincas são indicadores de bombeamento de finos no pavimento.

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5 CONSIDERAÇÕES FINAIS

O objetivo desse trabalho foi realizar uma análise do uso das imagens geradas através do RPAS para monitoramento de condições de pavimentação asfáltica em rodovias. Essa tecnologia tem grande potencial de crescimento não só no Brasil, mas no mundo em geral. Vários trabalhos estão sendo realizados neste sentido já que a tecnologia presente nos RPAS tem aumentado significativamente e o custo de aquisição dos equipamentos está cada vez mais acessível.

As rodovias pavimentadas exigem conservação constante, uma vez que o volume de tráfego e peso dos veículos aumenta gradativamente. Nesse sentido, as imagens obtidas através dos RPAS podem fornecer informações muito importantes através de imagens de qualidade, sendo possível observar os defeitos e manutenções necessárias, sem que haja necessidade de deslocamento de grande número de pessoas, sem interrupção de tráfego e podendo ser realizada em um intervalo de tempo muito menor, agregando segurança e diminuindo a necessidade de inspeções em campo.

Observou-se que existem alguns pontos negativos no monitoramento, entre eles a sombra das árvores nas imagens, devido ao horário na qual as imagens foram obtidas, que prejudicam uma análise criteriosa das condições do pavimento. Outro ponto negativo é a não possibilidade de visualização das trincas no pavimento, originadas por bombeamento de material fino, o que representa o início de falha no pavimento.

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