Reliable engineering
takes many forms

Esta é a segunda parte de uma série de três partes sobre a história da Supervisão Autónoma, uma solução da Albatroz Engenharia para a inspeção de linhas de energia por drones. A história será contada numa perspetiva humana e sistémica, com algumas noções básicas de engenharia. Este episódio abrange o período de 2012 a 2016.

O contexto inicial

No início de 2012, a participação no projeto AIRTICI (ver boletim informativo anterior ) levou à conclusão de que existia uma oportunidade para um sistema voador robótico inspecionar linhas de energia devido a) à fadiga dos pilotos humanos, b) ao risco para as tripulações e c) ao impacto geral no ambiente; este último é mais evidente para as linhas de baixa tensão que estão mais próximas do solo, afetando assim a natureza e as pessoas no campo.

Ao mesmo tempo, a experiência de voar com Sistemas Aéreos Não Tripulados (UAS ou UAV) dentro da linha de visão visual evidenciou a necessidade de uma abordagem diferente da AIRTICI, dado que cada voo apenas mapeava cerca de 1 a 2 km no máximo (0,63 a 1,26 milhas) e, em seguida, era necessário trazer a aeronave de volta ao solo e deslocar toda a equipa e o equipamento para a frente. A velocidade do progresso era determinada pela velocidade das pessoas em terra, e não pela aeronave no ar .

Voar para além da linha de visão visual acrescentou novos desafios à perceção do piloto, atrasos na comunicação, perda de comunicação, perda do contexto ambiental, etc. A oportunidade para os sistemas autónomos surgiu do progresso técnico esperado: linha de visão visual (VLOS) » para além da linha de visão visual (BVLOS) » Operação Autónoma.

A operação autónoma ainda está sob supervisão humana; a sua principal diferença é que, na ausência de instruções, o piloto automático da aeronave segue um procedimento estabelecido. Formalmente, mesmo as operações VLOS (Vehicle Line of Sight – Linha de Visão Visual) possuem um certo grau de autonomia: se não houver comunicação entre a aeronave e o piloto em terra, o piloto automático embarcado sabe como agir: geralmente, tenta regressar a uma posição inicial e depois paira; se a energia estiver baixa, aterra; se durante o voo o piloto automático estimar que a energia restante já não é suficiente para levar a aeronave de volta à sua posição original, tenta aterrar o mais rapidamente possível.

A transição dos “Sistemas de Aeronaves Pilotadas Remotamente” (RPAS), onde os humanos estão permanentemente no controlo, para UAS, onde um programa de computador deve lidar com todas as ocorrências, altera o foco do design e da regulamentação. Nos RPAS, o computador gere sistemas conhecidos (controlo em tempo real) e os humanos lidam com a ambiguidade da natureza; portanto, a regulamentação centra-se na forma como os humanos percebem e reagem. Com os UAS autónomos, a regulamentação centra-se na fiabilidade dos programas de computador para compreender e responder à ambiguidade da natureza, de forma a minimizar o impacto nas pessoas e no ambiente.

Há quinze anos, a regulamentação estava ainda em desenvolvimento na União Europeia. Um consórcio que incluía a Albatroz Engenharia apresentou um projeto para um UAS autónomo que foi rejeitado pela UE, sendo uma das razões a “ausência de um caminho claro para o mercado”. A primeira regulamentação portuguesa, datada de dezembro de 2016, e as normas da UE foram aplicadas a partir de 2020. As regulamentações de primeira geração adiaram ou proibiram as operações autónomas.

Empreender um estudo sobre um sistema autónomo para inspeções de manutenção de linhas elétricas em 2012 foi um esforço de I&D que a) poderia falhar; e, caso se presuma a viabilidade, b) resta demonstrar que opera de forma fiável na vida real, depois de c) existir uma justificação comercial para o levar para o mercado e, finalmente, d) de que a regulamentação o acolherá.

Frequentar um doutoramento significa três anos para ultrapassar o primeiro obstáculo e mais três pela frente. Foi um grande compromisso para a Albatroz Engenharia, que na altura tinha apenas 6 anos, e para Sandra Antunes, a engenheira aeronáutica da equipa que assumiu a liderança e se inscreveu como doutoranda na Universidade da Beira Interior, a sua alma mater .  

Definir o problema: a analogia com os pilotos humanos.

A abordagem aos UAS autónomos foi construída a partir da experiência com helicópteros, onde os sistemas robotizados informam a tripulação sobre os riscos emergentes em tempo real. Esta abordagem prioriza a segurança em detrimento do desempenho, o que provavelmente inspirará confiança nos potenciais utilizadores – incluindo os engenheiros de I&D envolvidos! – e tranquilidade nos organismos reguladores.

Como explicado em abril, as três variáveis ​​utilizadas são DVG = Distância do Veículo ao Solo (o mesmo que AGL para helicópteros), DVL = Distância do Veículo à Linha (o mesmo que DHL para helicópteros) e VTG = Velocidade em relação ao Solo, que substitui IAS = Velocidade Indicada no Ar a velocidades de inspeção típicas:

Se o piloto do robô conseguisse manter o UAS a uma distância segura da linha de transmissão de energia, a questão da segurança estaria resolvida. Por outro lado, se o piloto do robô conseguisse manter o UAS suficientemente próximo da linha de transmissão e das características circundantes, poderia ser realizada uma inspeção de qualidade. Isto seria representado pela Figura 2, e todas as variáveis ​​estão expressas em sistemas de coordenadas locais. Em caso de falha dos sistemas de navegação global, o UAS ainda opera de forma segura utilizando o modo local, pelo menos enquanto houver uma linha de transmissão a seguir.

No entanto, existe o problema da condição inicial: para manter o UAS dentro do “volume verde”, é necessário que primeiro lá entre.

É necessário um segundo modo para fornecer uma definição aproximada da trajetória da linha, em que cada ângulo é um ponto de passagem. Em princípio, apenas são necessárias torres de ângulo; no entanto, a maioria dos sistemas de gestão de ativos possui coordenadas globais para quase todas as torres (por vezes com alguma margem de erro) e o UAS deve deslocar-se para estas coordenadas como um voo típico de ponto de passagem (um dos primeiros comportamentos semiautónomos implementados na maioria dos UAS).

No entanto, tal como o modo de navegação local deve combinar segurança e desempenho, também este modo de navegação global deve fazer o mesmo; é calculado um conjunto de limites em coordenadas globais e o UAS deve voar dentro do volume seguro, posicionado junto ao corredor formado por PT1 a PT3, que representam as torres de uma linha CA trifásica típica.

Caso a navegação em coordenadas locais falhe, o modo de navegação global mantém o UAS a seguir a linha de energia de forma segura.

A necessidade de simplificações

Sabe-se que os sistemas do mundo real não operam em condições ideais, e, no entanto, as pessoas aprendem a ciência e as equações para “sistemas ideais”. O talento de Galileu brilhou quando concebeu as leis da mecânica para o movimento sem atrito, mesmo tendo experimentado o movimento apenas com atrito. O mesmo se aplica à ciência e à engenharia modernas. Para além dos muitos “atritos” comuns à robótica móvel, foi necessário introduzir duas simplificações importantes para avançar na investigação e desenvolvimento.

A primeira simplificação reside na orientação do UAS em relação ao cabo. Em termos do modo local, o DVL é uma grandeza escalar e não tem orientação (ver Figura 1), pelo que o sistema poderia estar em qualquer ponto num raio determinado em torno do cabo. Na realidade, isto não é verdade: as linhas aéreas são geralmente um arranjo geométrico de múltiplos condutores (frequentemente 5 ou 6 fios ou feixes, e até 14 em alguns casos). Além disso, as orientações para as inspeções variam entre países, níveis de tensão e operadores: por vezes, as linhas de energia devem ser inspecionadas ao nível do condutor de fase mais baixo, ou a meio da altura dos condutores, ou no condutor de fase mais alto, ou no fio de terra mais alto (acima de todos) ou mesmo acima destes. Assim, decidiu-se que o DVL representaria a distância horizontal a um plano vertical definido pelo condutor mais próximo.

A segunda simplificação foi a remoção de obstáculos na trajetória de voo. Presume-se que a aeronave voa dentro da faixa de domínio ao longo da linha, pelo que esta não deveria ser uma suposição excêntrica; no entanto, sabe-se que os obstáculos invadem a faixa de domínio (esta é uma das razões para a inspeção) e, de forma mais subtil, existem cruzamentos de linhas e ramificações que partem da linha sujeitas a inspeção. Incluir estas ambiguidades inesperadas obscureceria a investigação e o desenvolvimento envolvidos na demonstração da viabilidade.

As questões que motivaram estas simplificações não foram esquecidas; foram suspensas para enfatizar o contributo da I&D e deverão ser retomadas posteriormente na implementação prática, caso se comprove a viabilidade.

Arquitetura de controlo em tempo real

Uma das razões pelas quais os quadricópteros são tão populares é que têm apenas quatro controlos em quatro motores, todos iguais, e a estrutura da aeronave é simétrica ou quase simétrica. Os engenheiros de controlo — que apreciam a simplificação — são muito fãs deste tipo de aeronaves, pois, independentemente da complexidade do movimento ou da atitude desejada, tudo se traduz na velocidade (ou posição) de cada motor. O controlo em tempo real de um UAS autónomo do tipo quadricóptero exige o processamento dos dados de entrada dos motores e o envio de instruções centenas de vezes por segundo para cada um deles.

A tradução de uma representação de alto nível de DVL, DVG e VTG em medições locais, combinada com um corredor de uma “cerca virtual” definida por vértices em coordenadas globais, para controlo em tempo real envolve três módulos principais apresentados na Figura 4:

1. Um módulo de “Controlo” que representa a dinâmica da aeronave, traduzindo sequências de movimentos e rotações incrementais em instruções para os motores e monitorizando a reação em tempo real dos sistemas (reagindo ao vento, por exemplo);
2. um “Supervisor” para compreender o cenário, o funcionamento e emitir os comandos de alto nível que serão traduzidos em comandos incrementais e
3. Um modo de “vigilância” que se liga aos pilotos humanos em terra, para que possam intervir se necessário.

O “Sistema de Inspeção” condensa toda a engenharia herdada da Inspeção de Manutenção de Linhas de Energia para helicópteros. Todos os outros módulos foram criados para o UAS (Sistema Aéreo Não Tripulado).

O módulo mais desafiante é o de “Controlo” em tempo real. Os modelos dinâmicos de UAS comerciais não estão disponíveis para além dos seus fabricantes, sendo necessário extrair os principais parâmetros dinâmicos para criar um modelo inverso, transformando saídas em entradas – e, novamente, realizar diversas simplificações – para estabelecer as equações que controlam o UAS de forma eficiente e suave. Este processo deve ser repetido a cada alteração na aeronave, o que significa não só na própria aeronave, mas também nas cargas úteis e acessórios (o que exige muitas “simplificações”). No final, mesmo que a robustez do controlador seja comprovada matematicamente, a complexidade da análise e as diferenças entre o controlo “ideal” e o mundo real dificultam a demonstração da conformidade com as normas regulamentares.

O módulo de Supervisão opera com algumas iterações por segundo, uma vez que as distâncias e velocidades mudam muito mais lentamente do que as rotações do motor, e apresenta um procedimento bem estabelecido, também herdado das inspeções de helicópteros.

Por fim, o modo de vigilância não está diretamente envolvido no controlo regular: emite notificações e mostra aos pilotos remotos como a inspeção está a progredir e só no caso de serem enviadas instruções (por exemplo: suspender a inspeção, rodar a câmara, regressar a casa), é que as transfere para os outros módulos.

Um sucesso em I&D

Embora tenha demorado mais tempo do que o previsto, a Sra. Sandra Antunes demonstrou, em novembro de 2016, que era viável realizar inspeções em linhas de transmissão de energia com um UAV equipado com o seu sistema de Supervisão Autónoma. Os parabéns e reconhecimentos foram mais do que merecidos.

Toda a investigação e desenvolvimento é uma incursão no desconhecido, e uma tese de doutoramento é uma exploração estruturada que dura três anos ou mais; portanto, Albatroz Engenhaira e Sandra Antunes sabiam o que estavam a aceitar. No entanto, um doutoramento baseado em equipamento real, aquisições reais e ambiente real acrescenta novas camadas de dificuldades que podem diminuir o contributo científico, uma vez que a maior parte do esforço é despendido em questões que pouco importam para a investigação e desenvolvimento. Era fundamental que cada membro da equipa envolvida se dedicasse às questões em que era mais competente, libertando os restantes dessas tarefas para que se pudessem concentrar nos seus pontos fortes.

Conclusões (da Parte II)

Em resumo:

1. Sim, é possível utilizar um UAV autónomo para realizar inspeções de linhas de energia.
2. Isto foi conseguido ao colocar a segurança como pedra basilar do projeto .
3. A solução depende da dinâmica da aeronave.

Após a comemoração de Sandra Antunes e Albatroz Engenhaira — no início desse ano, a empresa tinha celebrado 10 anos —, a equipa tinha plena consciência de que apenas o primeiro obstáculo tinha sido ultrapassado. O percurso rumo ao sucesso empresarial seria longo, mas havia sinais externos encorajadores: a maioria dos empresários já acreditava que os UAS (Sistemas de Aeronaves Não Tripuladas) faziam parte do futuro — as conferências da CIGRÉ e a formação de empresas em todo o mundo refletiam esta visão — e as entidades reguladoras vislumbravam uma oportunidade para serviços específicos que envolvessem riscos específicos, geridos por profissionais com formação, tal como uma companhia aérea convencional. Afinal, são aeronaves, como os aviões comerciais, só que mais pequenas e mais silenciosas.

Internamente, a equipa estava ciente de quantas questões tinham sido deixadas de lado para se obterem os valiosos resultados de I&D. Agora era necessário criar um novo caminho que revisitasse e resolvesse cada uma delas, e estar preparado para os obstáculos imprevistos que ainda estavam por vir.

Nota: todas as ilustrações são da autoria da Sra. Sandra Antunes.

Uma fotografia por mês

Um olhar por detrás das cortinas para descobrir algumas memórias significativas dos arquivos da Albatroz Engenharia.

O Estagiário

Quem veio trabalhar para o escritório durante os lockdowns da Covid-19? Os estagiários, naturalmente.

Durante os confinamentos da COVID-19, quando o escritório de Lisboa esteve vazio durante semanas, apenas foram realizadas visitas ocasionais para a manutenção das plantas, do aquário e dos computadores utilizados remotamente. Neste ambiente tranquilo, os gatos curiosos da vizinhança descobriram pequenas aberturas nas janelas e começaram a entrar sorrateiramente.

Atraídos pela tranquilidade, pelo zumbido e pelo calor das máquinas, e pelos peixes do aquário, tornaram-se “estagiários” inesperados e frequentes. Divertida com as visitas, a equipa instalou câmaras para registar a sua presença, documentando inclusive alguns dos visitantes felinos mais assíduos, como esta jovem estagiária.

Mesmo depois do fim dos confinamentos, estes “estagiários” ainda regressam de tempos a tempos, permanecendo nostalgicamente do lado de fora da janela, recordando os tempos antigos, quando o escritório lhes pertencia inteiramente, sem ninguém a atrapalhar.