Target-fencing para inspeções em linhas elétricas com aeronaves pilotadas remotamente

1. Motivação

Os autores têm estado envolvidos com a manutenção de linhas elétricas durante 12 e 7 anos, respetivamente. A inspeção de linha elétricas é um método de manutenção preventiva para a deteção precoce de peças com desgaste ou com defeito nas linhas de energia, riscos ambientais em torno da linha e monitorização do desenvolvimento da vegetação na faixa de servidão. Na Europa e na América do Norte, helicópteros com uma equipa especializada são o vector preferencial para executar esta tarefa, assim como em muitos outros países. Isto requer um voo próximo das linhas elétricas a uma velocidade reduzida e, em caso de linhas de distribuição rurais, voar rente ao solo e logo acima da copa das árvores (um operador afirma estar a viver durante “50 anos a 50 pés” das linhas e também do solo).

Nos últimos anos, as preocupações com a segurança, o ruído e os custos de operação, a um nível mais baixo, e inovações em comunicações sem fio, aeronáutica, robótica e interfaces homem-máquina a um nível mais alto, levaram a ter em consideração um sistema de aeronaves pilotadas remotamente [Remotely Piloted Aircraft Systems – RPAS] como uma alternativa aos helicópteros para inspecionar linhas elétricas. No entanto, se os pilotos de helicóptero são treinados para se manterem longe das linhas elétricas, todos os manuais de operação dos RPAS são inflexíveis: manter-se afastado de todos os tipos de linhas elétricas. Para realizar inspeções de manutenção de linha elétricas, a exigência é o oposto: manter-se sempre perto das linhas de energia.

2. Introdução

A maioria das diretrizes e regulamentos para operações civis com RPAS enfatizam a necessidade de segurança. Em termos de segurança, a principal preocupação é a proteção das pessoas, propriedade e o meio envolvente no solo, e em segundo lugar a aeronave não tripulada [UAV]¹. Permissões para realizar missões além da linha de vista [BLOS] são raras e vêm com um quadro mais apertado de restrições.

Um caminho apresentado pela FAA para discussão pública é o “geo-fencing” do UAV, através de prova de que a aeronave não tripulada pode ser confinada a um volume definido por coordenadas geográficas e limites máximos acima do nível do solo e que manter-se-á dentro deste volume pelos seus próprios meios. Para provar a capacidade do “geo-fencing”, o UAV deve lidar com o fracasso, degradação ou a interferência nefasta dos sinais do Sistema de Navegação Global por Satélite [GNSS] (por uma questão de segurança) e a degradação ou a perda de comunicações para a estação terrestre e piloto. Sob tais constrangimentos, utilizar um RPAS para efetuar uma inspeção de uma linha elétrica, ou qualquer outra infra-estrura linear, para este caso, exigirá uma sucessão de NOTAM (Notice to Airmen ou circular de informação aeronáutica), fechando pequenos volumes de espaço de ar que contém o volume de confinamento em torno dele e durante a inspeção.

3. Contribuições

Os autores propõem uma extensão deste princípio, no caso dos RPAS a inspecionar linhas elétricas. Como a tarefa de inspeção envolve sensores capazes de medir distâncias entre objetos no espaço tridimensional, tais sinais poderão ser utilizados em tempo-real para controlar a distância desde os UAV até ao alvo de inspeção (sendo esse uma linha elétrica, um oleoduto, ou outro qualquer). A tecnologia mais comum para este propósito é o LiDAR acoplado com um GPS e a um AHRS (Attitude and Heading Reference Systems). A maioria dos prestadores de serviços de inspeção a partir de helicópteros não processam tais dados em tempo-real devido à complexidade e esforço computacional que necessitam. Contudo, a empresa dos autores apresentou o PLMI (Power Line Maintenance Inspection) em 2007, que é um sistema para helicópteros cuja novidade para o mercado inclui as medições de distância em tempo-real às linhas, ao solo e a todos os objetos do meio envolvente, melhorando em primeiro lugar a segurança da tripulação e em segundo lugar a qualidade do serviço.

Se tais ferramentas forem combinadas com um modelo de supervisão dentro do piloto automático de um UAV, isso deverá assegurar que o UAV mantém-se dentro do volume específico do alvo e ao mesmo tempo certificar-se de que não se aproxime demasiado, para proteger as linhas e o UAV de contacto. Tendo como inspiração o “geofencing” os autores chamam-no de “target-fencing”.

Enquanto a estrutura for continua, o UAV pode segui-la, baseando-se no target-fencing para restringir o UAV a uma distância segura do alvo e dentro do espaço aéreo confinado. Isto pode ser combinado com o geofencing para se aproximar e afastar da infraestrutura e para fornecer mapas para auxiliar a navegação e pontos de passagem seguintes. No caso de haver descontinuidades na infraestrutura (tais como cabos subterrâneos e oleodutos ou túneis rodoviários ou ferroviários), o UAV iria contar apenas com o geo-fencing, possivelmente associado com um comportamento de seguir as copas (ou o modelo digital de superfície a ser gerado em tempo-real), até que infraestrutura recomece e este volte a segui-la.

O artigo deve discutir os aspetos técnicos da implementação do “target-fencing” aplicada a UAV tipo multicopters. Deve ser introduzido a sua aplicação a UAV de asa fixa.

1. Motivation

The authors have been involved with power line maintenance inspection for 12 and 7 years, respectively. Overhead power line inspection is a method for preventive maintenance for early detection of worn or defective parts in the power lines, environmental hazards around the line and monitor vegetation development on the line track. In Europe and North America, helicopters with a specialist crew are the preferred vector to perform this task, as well as in many other countries. This requires flying close to the power lines at slow speed and, in case of rural distribution lines, flying close to the ground and just above canopies (one operator claims to be living for “50 years at 50 feet” of its copper lines and the ground as well).

In recent years, concerns about safety, noise and operation costs on the down side and innovations on wireless communications, aeronautics, robotics and human-machine interfaces on the upside led to the consideration of Remotely Piloted Aircraft Systems [RPAS] as an alternative to helicopters to perform power line inspections. However, if ordinary helicopter pilots are trained to keep away of power-lines, all operation manuals for RPAS are as adamant: keep away from all kinds of power-lines. To perform power line maintenance inspections, the requirement is the opposite: always keep close to power-lines.

2. Introduction

Most guidelines [] and regulations [] for RPAS civilian operation emphasise the need for safety and security. In terms of safety, the main concern is the protection of people, property and the environment on the ground and, secondarily, the unmanned aerial aircraft [UAV][1]. Permissions to carry missions beyond line of sight [BLOS] are rare and come with a tighter frame of constraints.

One path submitted by FAA to public discussion [] is the “geo-fencing” of the UAV through proof that unmanned aircraft can be confined to a volume defined by geographical coordinates and ceilings above ground level and maintain itself within this volume by its own means. To prove the geo-fencing ability, the UAV must handle the failure, degradation or nefarious jamming of Global Navigation Satellite System signals [GNSS] (this is a security issue] and degradation or loss of communications to the ground station and pilot. Under such constraints, using RPAS to perform an inspection of a power line, or any other linear infrastructure, for that matter, would require a succession of NOTAM (Notice to Airmen) closing small volumes of airspace containing the confinement volume and around it for the duration of the inspection.

[1] While RPAS and UAV acronyms are often confused, the authors use RPAS for the whole system, including aircraft, ground station and support systems (such as communication relays) and UAV for the aircraft actually flying under the command of a remote pilot on the ground or an embarked autonomous auto-pilot.

3. Contributions

The authors propose an extension of this principle in case of RPAS inspecting power lines. As the inspection assignment involves sensors capable of measuring distances between objects in 3D space, such signals could be used in real-time to track the distance from the UAV to the target of the inspection (be it a power line, a pipeline or other). The most common technology for this purpose is LiDAR coupled with GPS and Attitude and Heading Reference Systems [AHRS]. Most providers of inspection services from helicopters do not process such data in real time due to the complexity and computational effort they require. However, the authors’ organisation introduced PLMI (Power Line Maintenance Inspection in 2007, which is a system for helicopters whose novelty to the market included the real-time measurement of distance to the lines, to the ground and all other surrounding objects in real-time to, primarily, improve safety of crews and, secondarily, quality of service.

If such tools are combined with a supervisory module within the auto-pilot of an UAV, it ought to ensure the UAV keeps within the specified volume of the target at the same time making sure it does not come too close to protect the lines and the UAV from contact. Taking inspiration from “geo-fencing” the authors call it “target-fencing”.

As long as the infrastructure is continuous, the UAV can follow it, relying on target-fencing to bind the UAV to a safe distance from the target and within the confined airspace. This can be combined with geo-fencing to approach and leave the infra-structure and to provide maps to assist navigation and waypoint following. In case there are intermissions in the infrastructure (such as underground cables or pipelines or road or railroad tunnels), the UAV would rely on geo-fencing alone possibly coupled with a behaviour to follow the canopy (or the digital surface model being generated in real-time), until the infrastructure resumes.

The paper shall discuss the technical aspects of the implementation of such “target-fencing” applied to multi-copter style UAV. Its application to fixed wing UAV should be introduced.

Reliable engineering
takes many forms