Envelope de vôo seguro para a inspecção de linhas eléctricas aéreas

Resumo

Um controle de supervisão baseado no voo e em dados essenciais de sensores externos é proposto neste artigo para inspecções de linhas eléctricas áereas com quadricópteros. O primeiro requisito no desenvolvimento de sistemas aéreos é a segurança das pessoas e dos activos envolvidos. Os veículos aéreos envolvidos nas inspecções das linhas eléctricas aéreas, tripulados ou não tripulados, requerem o uso de sistemas precisos e robustos, e com uma supervisão constante da missão. Estes requisitos de voo são devidos ao facto de que as missões são desenvolvidas, na maior parte dos casos, em ambientes hostis e sempre com níveis de altitude e de velocidade reduzidos. Variáveis como: distância do veículo à linha; distância do veículo ao solo e velocidade instantânea de voo, aliadas ao envelope de voo do veículo, tornam as missões mais seguras e adicionam maior conforto nas decisões do piloto, quando e onde se pode executar uma boa missão. Os pilotos estão cientes do envelope de voo específico do veículo a operar, no entanto, durante o curso de voo, o compromisso da equipa para obter os melhores resultados possíveis de inspecção poderá deixá-los infringir os limites de segurança especificados no envelope de voo.

O trabalho proposto tem como objectivo melhorar a segurança das inspecções das linhas eléctricas aéreas e tarefas semelhantes, percebendo automaticamente condições de voo e criar um sistema de análise dos parâmetros que levam ao veículo perto dos limites de segurança do envelope de voo. Observando essa variáveis o sistema é capaz de enviar sinais de aviso aos inspectores de modo a que eles tenham tempo de informar o piloto e adoptar as devidas precauções de segurança. No caso de sistemas autónomos, o problema inclui o controlo supervisionado a fim de monitorizar as variáveis críticas e verificar como estas influenciam o comportamento do veículo aéreo; e a utilização do controlo do filtro Kalman para pré-visualizar atitudes dinâmicas do quadricóptero e controlar a aeronave de modo a evitar a saia de segurança do envelope de voo. Na fase final do projecto, o objectivo é fornecer soluções integradas do PLMI (Power Line Maintenance System), tendo em consideração a utilização de veículos autónomos, o intuito é alcançar soluções que visam dar mais enfase à segurança.

A utilização do método semi-quantitativo de zonas (vermelho, laranja, amarelo e verde), possivelmente combinado com mais detalhes quantitativos deverão ser comunicados com a tripulação, directamente para o inspector que então transmitirá a informação ao piloto, e por sua vez, irá actuar sobre o controlo do veículo. A pesquisa termina com a concepção e a implementação de controladores automáticos para quadricópteros, com base na aprendizagem supervisionada nas fases anteriores.

A classificação de manobras perigosas inerentes às inspecções são necessárias para criar metodologias que culminam no nosso objectivo de desenvolver meios para controlar, monitorizar e supervisionar a inspeção das missões aéreas ou dos meios aéreos autónomos não tripulados. Para uma missão específica, a condição de monitorização de torres de alta tensão e de seus componentes foi considerada para este trabalho usando um quadricópteros.

A bibliografia dá-nos as equações características dos quadricópteros para descrever a atitude de voo do nosso veículo (com algumas considerações), contudo o envelope de voo seguro dos fabricantes não é conhecido. No geral, alguns parâmetros são reconhecidos, como máximo e mínimo da velocidade operacional ou altitude, e melhores condições para um voo mais favorável.

Para ilustrar o envelope de voo seguro inicialmente foram consideradas duas variáveis de voo, altitude e velocidade – variáveis de desempenho da aeronave. No caso do quadricóptero a velocidade depende do ângulo de inclinação, para que possa aumentar ou diminuir de velocidade. Para representar os limites de desempenho da aeronave, são consideradas equações do quadricóptero e calculadas os máximos e os mínimos de cada altitude fixada ponto-por-ponto.

Em resultado deste trabalho, utilizando supervisão e métodos robustos de controlo em tempo real de voo, o sistema tem a capacidade de seguir um alvo e introduzir sinais correctivos mantendo distâncias de voo seguras, velocidades e dados de inspeção adquiridos com o intuito de serem armazenados. O esquema de controlo proposto foi implementado no nosso controlo de envelope de voo, desenvolvido para quadricóptero não tripulados. Resultados experimentais demonstraram uma clara melhoria sobre as missões de inspecção de linhas eléctricas aéreas, sendo mais segura a aproximação ao objecto alvo de inspecção.

Abstract

A supervision control based on flight and essential external sensors data is proposed in this paper for quadrotor overhead power line inspections. The first requisite in design of airborne systems is the safety of people and involving assets. Air vehicles involved in overhead power line inspections, manned or unmanned, requires the use of precise and robust systems, and with a constant supervision of mission. These flight requirements due to the fact that missions are develop, in most of cases, in hostile environments and always in reduced levels of altitude and speed. Variables such as: distance from the vehicle to the line; distance from the vehicle to the ground and instantaneous speed of flight, allied to the flight envelope of the vehicle, become safer missions and added comfort to the pilot on decisions as where and under conditions should operate to a successful mission. The pilots are aware of the specific flight envelope of the vehicle to operate, however, during the course of flight, the commitment of the crew to get better possible inspection evidences could let them infringe the safety limits specified in flight envelope.

The proposed work aims to improve the safety of overhead power line inspection, and similar tasks, automatically sensing flight conditions and create a system of analyzing the parameters that lead to the vehicle near the boundaries of the envelope flight safety. Observing these variables the system is able to send advice signals to the inspectors for them have the time to inform the pilot and get the proper safety precautions. In case of autonomous systems, the problem include the supervised control in order to monitor the critical variables and verify how they influence the behavior of the air vehicle; and the use of Kalman filter control to preview dynamic attitude of quadrotor and control the aircraft in order to avoid that skirt of safe flight envelope. In the final phase of this project, the plan is to provide integration solutions on PLMI (Power Line Maintenance System), taken into account the use of autonomous vehicles, the objective being to reach solutions that aim to give more emphasis to security.

The use of semi-quantitative method of zones (red, orange, yellow and green), possibly combined with more detailed quantitative should be communicated with the crews, directly to the inspector which then transmits the information to the pilot, and in turn, they acts upon the control of the vehicle. The research concludes with the design and implementation of automatic controllers for quadrotors, based on supervised learning from the previous stages.

The classification of dangerous maneuvers inherent to inspection are necessary to create methodologies that culminate in our goal of designing means for control, monitor and supervise inspection of the overhead flights missions serving up or autonomous unmanned aerial means. For a specific mission, the condition of monitoring of high voltage towers and their components was considered for this work using a quadrotor.

The literature gives us the characteristic quadrotor equations, to describe the flight attitude of our vehicle (with some considerations), however, the safe flight envelope from manufacturers are not known. In general, some parameters are acknowledged, as maximum and minimum of operational velocity or altitude, and better conditions for a favourable flight.

To illustrate the safe flight envelope, was initially considered two variables of flight, altitude and speed – aircraft performance variables. In the case of the quadrotor the velocity depends of pitch angle, so that can increase or decrease speed. To represent the limits of aircraft performance, is considered quadrotor equations and calculated maximums and minimums for each altitude fixed point-by-point.

In result of this work, using supervision and robust methods of control in real time of flight, the system have ability to follow a target and input corrective signals maintain safe flight distances, speeds and acquire inspection data that is intended to store. The proposed control scheme was implemented on our developed flight envelope control for unmanned quadrotor. Experimental results have demonstrated clear improvements over overhead power line inspection missions, being more secure the approach to the inspection target object.

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