Supervisão Autônoma – da P&D à realidade no ar
Esta newsletter revisita o processo que, eventualmente, levou à Supervisão Autónoma, do ponto de vista humano e dos sistemas, embora alguns conceitos básicos de engenharia possam ser úteis.
Foi um caminho longo e sinuoso.
A descoberta inicial
A Albatroz Engenharia entrou em contacto com os sistemas aéreos robotizados – conhecidos como RPAS, UAV e, mais recentemente, UAS, e usaremos este último termo – em 2009, com um projeto de I&D de três anos chamado “AIRTICI”, em colaboração com a LABELEC – Grupo EDP, o Instituto de Sistemas e Robótica (ISR-Lisboa) e outros parceiros, para inspeção aérea de infraestruturas críticas: barragens, pontes, oleodutos, linhas elétricas aéreas, etc. A aeronave utilizada tinha uma configuração típica de helicóptero, com um grande rotor principal e um pequeno rotor de cauda perpendicular ao primeiro (Figura 1).
Uma das primeiras e principais descobertas do AIRTICI foi que a fadiga dos pilotos em solo acontecia mais rapidamente do que nos pilotos de helicópteros no ar, apesar das semelhanças entre as aeronaves e procedimentos.
Após estudo e consulta com pilotos com competências em ambos os tipos de voo – com tripulação e sem tripulação – ficou claro que a principal causa desse fenómeno era a diferença de experiência entre as duas posições: no ar, não existe erro de paralaxe entre o piloto e a aeronave, há menos atraso entre o controlo e o atuador, e a “cobertura” ao redor do piloto está totalmente relacionada com a missão. Por último, a experiência do voo é multissensorial, enquanto o piloto em solo não recebe os estímulos que transmitem componentes essenciais da dinâmica do voo através de vibrações, acelerações, sons, cheiros, etc. Uma geração mais jovem que nunca pilotou uma aeronave com tripulação pode não sentir necessidade desses estímulos, mas estes são irsubstituíveis para pilotos experientes de aeronaves com pessoas a bordo.
A oportunidade = o desafio
Se os pilotos humanos têm dificuldades em manter um desempenho de topo a partir do solo em voos de várias horas, tal como fazem num helicóptero, e se a inspeção de linhas elétricas aéreas é uma tarefa perigosa que não exige presença humana imediata a curta distância, então há uma lacuna entre as operações de UAS e helicópteros com tripulação que abre uma oportunidade para I&D que poderia mais tarde levar a uma inovação: inspeções autónomas de manutenção de linhas de alta tensão.
Em 2007, a Albatroz Engenharia criou o Sistema de Inspeção de Manutenção de Linhas de Alta Tensão [PLMI], o primeiro sistema de supervisão em tempo real do mundo para linhas elétricas aéreas [OHL] para apoiar a segurança da tripulação dentro de um helicóptero operando para a LABELEC. O objetivo da Albatroz era apoiar a decisão do piloto, fornecendo-lhe informações relevantes em tempo real sobre as distâncias para os obstáculos no cenário, filtradas por relevância, primeiro por um algoritmo e depois por outros membros da tripulação. Além disso, o sistema registava todas as variáveis relevantes para posterior análise e melhorias de segurança.
As quatro variáveis monitorizadas e avaliadas a cada segundo eram:
- Distância ao solo ou Altitude acima do Nível do Solo [AGL].
- Velocidade Indicada do Ar [IAS],
- Distância à linha ou Distância Helicóptero à Linha [DHL, que viria a ser DVL = Distância Veículo à Linha],
- Distância a qualquer obstáculo.
A Altitude acima do Nível do Solo é importante para avaliar a probabilidade de uma auto-rotação bem-sucedida quando o piloto leva o helicóptero ao solo de forma segura em caso de falha do motor: se o helicóptero estiver muito perto do solo, não há tempo para realizar a auto-rotação. A auto-rotação também depende da Velocidade Indicada do Ar, que determina a sustentação gerada pelo ar nas lâminas do rotor principal: uma velocidade mais alta significa mais sustentação. A Distância Helicóptero à Linha implica que as margens de segurança aumentam à medida que o helicóptero se afasta da linha elétrica aérea.
A IAS é medida com um tubo de Pitot, um sensor de pressão do ar que não funciona corretamente a velocidades típicas de inspeção (< 25 nós = 46 km/h = 29 mph), exigindo a substituição por uma medição substituta: Velocidade ao Solo [VTG], medida com GPS, que funciona em todas as faixas de velocidade relevantes.
As duas primeiras variáveis, AGL e IAS, formam uma especificação de segurança crítica para um helicóptero: o diagrama velocidade-altitude que define a cinemática da envelope de voo com áreas seguras (verdes), áreas de transição e áreas perigosas (vermelhas). Um diagrama como este está mostrado na Figura 2 (a), para um tipo específico de helicóptero e, genericamente, na Figura (b). A mesma abordagem de segurança foi generalizada com AGL, IAS e DHL, criando diagramas semelhantes de 2 eixos: DHL vs AGL (c) e IAS vs DHL (d).
O resultado foi implementado na interface em tempo real do PLMI mostrada na Figura 3. A principal característica inovadora do PLMI foi a identificação em tempo real dos cabos de OHL, solo, torres e vegetação com base em medições LiDAR, mostradas na janela principal.
A robótica no PLMI tratava apenas de sensorização e computação. Todo o raciocínio era realizado pela tripulação: a) qual era a relevância das leituras dos medidores e do cenário, conforme mostrado na janela principal da Figura 3, b) o que comunicar ao piloto e c) as decisões que o piloto tomava e como elas se traduziam em ações. Esta sequência inclui os três principais papéis de uma tripulação de voo: aviador, navegador e comunicador.
O papel do Navegador é manter a aeronave segura em relação a outras aeronaves e obstáculos no percurso e indicar ao piloto para onde ir – muitas vezes, existem várias confluências e passagens de OHL que exigem atenção dedicada. O papel do Especialista de Missão é relatar como os sistemas estão a funcionar tanto para a aquisição de dados quanto para a segurança e gestão de voo. Ambos se comunicam com o Piloto (geralmente através de voz), que toma todas as informações em consideração quando manipula os atuadores que controlam a dinâmica do helicóptero.
Aprender com os humanos para projetar robôs
Para implementar inspeções utilizando UAS, tanto o Navegador quanto o Especialista de Missão tiveram de se tornar sistemas autónomos que alimentariam o Piloto – neste caso, um Piloto Automático – com os melhores inputs para realizar a missão.
Considerando que o Piloto Automático era um sistema que já havia sido criado adequadamente por outros e que é comum em aeronaves de diferentes missões, e no caso dos UAS, existem pilotos automáticos completos para múltiplos tipos de aeronaves, o papel do Piloto Automático foi deixado fora do escopo da ideação e I&D.
Acima de tudo, um “Supervisor” age como piloto-em-comando para coordenar os três subsistemas – Navegador, Especialista de Missão e Piloto Automático (que fornece muita informação) – e arbitrar entre objetivos concorrentes. Foi assim que a Supervisão Autónoma foi concebida. Por razões de segurança e controlo de qualidade, todos os sistemas autónomos devem operar sob a supervisão de uma tripulação humana, doravante em solo. Em resumo, enquanto a maior parte do papel de “aviation” foi atribuída ao Piloto Automático, o restante de “aviation”, todo o “navigation” e a maior parte do “communication” foram atribuídos à Supervisão Autónoma.
A segurança exige que as três variáveis não sejam demasiado pequenas (para além da descolagem e aterragem, que ocorrem com IAS=0 e AGL=0), pelo que todos os gráficos começam perto do vermelho na origem e vão para verde à medida que os valores aumentam (ver Figura 2). Por outro lado, o Especialista de Missão requer:
- Limitar a AGL para manter a qualidade da inspeção dos elementos no solo;
- Limitar a IAS (ou VTG) para manter a qualidade da captura de imagens e densidade de dados;
- Limitar a DHL para manter a qualidade na inspeção visual ou térmica dos componentes de OHL e detecção fi
Os diagramas qualitativos de dois eixos para os três pares de variáveis destacam que existe um ponto ideal no centro de um cubo definido por IAS (= VTG), AGL e DHL, monitorizados pelo Especialista de Missão.
Se as três variáveis forem consideradas ao mesmo tempo, elas formam um espaço de estados 3D onde o papel do Supervisor é manter o UAS dentro do volume verde dentro do cubo de estado, enquanto avança ao longo das linhas de acordo com o percurso mostrado pelo Navegador.
Conclusão (da Parte I)
Em resumo:
- A segurança coloca limites inferiores para AGL, IAS e DHL,
- A qualidade e robustez da inspeção colocam limites superiores para AGL, IAS e DHL e
- O mesmo sensor LiDAR é usado tanto para segurança quanto para medições de vegetação e distâncias, garantindo consistência na modelagem do cenário.
O ponto interessante é que uma arquitetura de controlo concebida para a segurança das tripulações humanas revelou-se a mais adequada para as operações de UAS.
Parece simples? Foi só o começo.
Em 2012, a engenheira aeronáutica da Albatroz Engenharia, Sra. Sandra Antunes, iniciou um doutoramento na Universidade da Beira Interior (www.ubi.pt) para provar que isto era viável, seguro e eficiente.
Foram necessários 10 anos, até 7 de abril de 2022, há quatro anos, para provar que era viável e seguro. Leia a continuação deste esforço nas próximas edições…
Uma imagem por mês
Uma visão por trás das cortinas para descobrir algumas memórias significativas dos arquivos da Albatroz Engenharia.
O Talismã
Se precisar de improvisar num helicóptero, coloque todo o seu equipamento numa caixa de sapatos.
No início das demonstrações aéreas para a 4ª unidade do PLMI, as restrições de tempo impediram o design de uma unidade de processamento de dados apropriada para aquele helicóptero específico. Como solução temporária, a equipa instalou todos os componentes dentro de uma caixa de aço de laboratório rudimentar – apelidada de “caixa de sapatos” devido à sua aparência improvisada. O que deveria durar apenas alguns dias acabou por servir durante meses, acompanhando extensos desplantes enquanto uma unidade de gravação digital adequada (DRU) estava a ser desenvolvida. Quando a DRU finalmente a substituiu, o cliente – por satisfação ou superstição – insistiu em manter a caixa de sapatos como backup.
Anos depois, quando todo o sistema foi substituído, a caixa de sapatos foi guardada no museu da empresa como um artefacto querido, símbolo de engenhosidade e fiabilidade.