Inspeção de Linhas de Transmissão com o Apoio de ... · transmissão, projeto da linha e...

Ministério da Educação UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ

Criada pela Lei nº 10.435, de 24 de abril de 2002

Inspeção de Linhas de Transmissão com o Apoio de Helicóptero Rádio Controlado por Computador

I - Introdução

No Brasil, há uma quantidade considerável de linhas de transmissão que já ultrapassou os 40anos de idade. Com o envelhecimento das linhas de transmissão, a inspeção para manutençãopreventiva é um fator de extrema relevância para garantir o perfeito funcionamento dos sistemas.

Os métodos atuais de inspeção de linhas de transmissão envolvem operações tediosas e dealto custo. Normalmente a inspeção de linhas de transmissão é feita visualmente a partir do solo, oudo ar, com o apoio de uma aeronave voando a baixa altitude e velocidade além de muito próximo daslinhas de transmissão. A utilização de operadores humanos inspecionando visualmente grandesextensões de cabos e um elevado número de isoladores torna-se um grande problema.

Este projeto propõe o desenvolvimento de um sistema para inspeção de linhas detransmissão com o apoio de um helicóptero rádio-controlado (RC) dotado de câmera de vídeo,microfone, GPS e um conjunto de transmissores e receptores, semelhante ao que está apresentadona fig.1 e que permitam tanto o controle de voo a partir do solo com a utilização de um computadorportátil, quanto o processamento dos dados coletados pelos sensores instalados no helicóptero paraa detecção de problemas nos cabos e isoladores de uma linha de transmissão.

Figura 1 – Helicóptero RC e estação de controle em terra para inspeção. (Fonte: http://www.flyvideopilotrc.com.br/ em 21/09/2010)

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Robôs para inspeção são utilizados já há algum tempo em depósitos de material radioativo ee para limpeza e inspeção de dutos [3-5]. Versões mais sofisticadas de robôs de inspeção são osutilizados para exploração espacial ou os aviões não tripulados utilizados pelas forças armadasamericanas. No escopo de linhas de transmissão, robôs de inspeção tem sido utilizados em linhassubterrâneas e linhas aéreas. Entretanto o emprego de robôs autônomos requer um sofisticadosistema de navegação que seja capaz de lidar com os obstáculos, conforme pode ser observado nafig. 2.

Figura 2 – Diferentes obstáculos enfrentados por robôs autônomos [6].

Existe uma vasta literatura sobre o uso de imagens na detecção de falhas destesequipamentos [7-10]. Nestes trabalhos, além do espectro visível que permite identificar deformaçõesmorfológicas dos esquipamentos, também são utilizados os espectros infravermelho e ultravioleta. Oinfravermelho permite localizar áreas com alta temperatura, que pode indicar falhas mecânicas comomal contato em conexões. O ultravioleta permite localizar regiões atingidas por quedas de raios ousobrecarga de tensão.

Com o uso do método proposto neste projeto será possível a aquisição de um grande númerode imagens, que demandará um grande tempo para a análise destas imagens por um especialista.Além do consumo de tempo, esta análise pode ficar prejudicada devido ao cansaço que ela podecausar aos especialistas. Para diminuir o número de imagens a ser analisadas, neste projeto iremosestudar técnicas e softwares que permitiram a correlação das imagens obtidas nas áreas de inspeçãocom as imagens de referência em banco de dados. Esta técnica permitirá que o especialista sóanálise imagens que tenham maiores chances de avarias.

Apesar das empresas do setor elético serem precursoras na utilização UAVs para a inspeçãode linhas de transmissão[7], o problema da qualidade da inspeção persiste devido ao fato de que, aaeronave utilizada é um avião o que faz com que a inspeção tenha que ser rápida visto que dependeda velocidade de sustentação do aeromodelo. No caso do helicóptero, a inspeção poderá serqualitativamente melhor visto que esse tipo de aeronave, além de realizar todos os movimentos doavião, pode realizar também o voo pairado e voar lentamente na vertical além, é claro de poder voarpara tráz.

De um modo geral, as inspeções nas linhas de transmissão de alta voltagem são feitas deforma preventiva, regularmente e de forma visual [11]. As inspeções buscam verificar a integridadefísica dos componentes das linhas, em termos de fissuras, corrosão e eventuais danos que venham aprejudicar o fornecimento de energia elétrica, um exemplo desse tipo de dano está apresentado nafig. 3. Essas inspeções envolvem a integridade estrutural das torres, a condição dos isoladores, asconexões das linhas de transmissão, a fim de se verificar um eventual ponto de ruptura.





Figura 3 – Dano em isolador causado por descarga elétrica [9].

Devido ao fato das cenas de cabos e isoladores serem extremamente repetitivas, a tarefa deinspeção é muito monótona, o que favorece a desatenção e consequentemente falhas no processode inspeção. Adicionalmente, a visualização dos cabos e isoladores por determinados ângulos (decima, por exemplo) requer operações dispendiosas com o uso de aeronaves, a fig. 4 ilustra como éfeita a inspeção e manutenção atualmente.

Figura 4 – Inspeção e manutenção de linhas com helicopteros.(Fonte: http://www.break.com/pictures/steady-steady1891352.html em 21/09/2010).

Ainda que recursos como filmagens manuais possam ser utilizados para prover diversasvistas simultâneas, é dífícil obter a sincronização espacial e temporal das diversas vistas. A utilizaçãode um sistema automatizado, como proposto em [12], para inspeção possiblita a obtenção dediversas vistas dos cabos e isoladores sincronizadas no espaço (ou seja, diversas vistas do mesmoponto do cabo ou isolador) e no tempo (todas as vistas obtidas no mesmo instante). Com isto, todasas vistas refletem a mesma situação de operação do cabo ou isolador.





Um benefício adicional é a possibilidade de georeferenciar as imagens no instante de capturadas mesmas através da utilização de um receptor de GPS embarcado no helicóptero. Com essainformação, pode-se consultar os bancos de dados com informações sobre as linhas de transmissãoe ter acesso a dados de projeto da linha e especificações de materiais, a fig. 4 apresenta umdiagrama esquemático proposto para a coleta, transmissão e tratamento dos dados das linhas detransmissão.

Figura 5 – Sistema de transmissão e tratamento de dados.

Conforme pode ser visto na fig 5, as imagens capturadas pela câmera do helicóptero serãotransmitidas em tempo-real para uma Estação de Campo para Controle de Vôo em terra. Na prática,essa estação será uma estação móvel de telemetria que envia dados de controle e recebe dadoscapturados pelo helicóptero em operação a uma distância que não deverá ultrapassar o limite dealcance do RC. Adicionalmente, ela irá operar como um Proxy de Encaminhamento1 para permitirque:

1. As imagens obtidas sejam encaminhadas para as bases de dados em servidores naInternet, como o Servidor de Dados de Falhas e Servidor de Bando de Dados;

2. A estação de controle consulte, quando necessário, informações sobre as linhas detransmissão, projeto da linha e especificações de materiais em outras bases de dados na Internet.

Como Proxy, a estação irá encaminhar os dados de duas formas:

1. Encaminhamento Imediato: as imagens obtidas poderão ser encaminhadas imediatamenteaos servidores na Internet quando a estação de controle operar em uma região onde há cobertura deacesso sem fio provida por uma Rede Celular. 2. Encaminhamento em modo Store-and-forward: quando a Estação de Controle operar emuma região onde não há cobertura de acesso sem fio, as imagens serão armazenadas em uma base

1 Um Proxy de rede é um servidor que faz intermediação da comunicação entre, pelo menos, outros dois clientes naInternet. Na prática um Proxy recebe requisições de um cliente e repassa para outro, assim, podendo atuar como umaponte acesso com à Internet para um cliente que não o possui.





de dados local (store) na Estação de Controle e encaminhadas posteriormente (forward) para osservidores tão logo a estação acessar uma área de cobertura.

Uma vez que parte dos dados capturados no helicóptero serão fluxos (streams) de áudio evídeo em resoluções variadas, a capacidade de transmissão de dados na Rede Celular é um requisitoimportante para sincronização rápida entre a Estação de Controle e os servidores.

Atualmente as operadoras de telefonia móvel no país vêm migrando suas Redes Celulares detecnologia de Segunda Geração para o de Terceira (3G). A Tabela 1 apresenta as principaistecnologias de transmissão em cada geração no Brasil.

Rede Tecnologia Taxa deTransmissão

Frequência de operação Área decobertura2

2G GSM/GPRS

EDGE

115 Kb/s

384 Kb/s

800 / 900 / 1800 e 1900 MHz 2 – 3 KM

3G UMTS Até 3.6 Mb/s 1920 - 2170 MHz 2 – 3 KM

Tabela 1 – Tecnologia de Transmissão em Redes Celulares. Fonte: adaptado a partir de (Mahonen, et al, 2004).

A tecnologia GPRS (General Packet Radio Systems) é uma extensão dos sistemas GSMpara permitir transmissão de dados através da comutação por pacotes. Os sistemas GPRSrepresentam a geração 2.5G e é capaz de transmitir dados a uma taxa de até 115 Kbps. A tecnologiaEDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution), proposto em 1997 pelo ETSI (EuropeanTelecommunications Standards Institute) como uma evolução da tecnologia GSM/GPRS, é capaz defornecer taxas maiores de transmissões, simbolicamente de 384 Kbps. Já as tecnologias 3G (ThirdGeneration), como Universal Mobile Telecommunication System - UMTS, combinam acesso móvel dealta velocidade com serviços baseados no protocolo IP, assim, permitindo que os dispositivos móveisacessem a Internet através de sua rede. A taxa de transmissão em sistemas 3G pode chegar a 3.6Mbps.

Através de um modem de transmissão sem fio 2G/3G acoplado à Estação de Campo, osdados obtidos do helicóptero poderão ser encaminhados com taxas razoáveis aos servidores naInternet quando a estação estiver sob uma área de cobertura de acesso provida por uma operadorade telefonia celular. Quando não, opera-se em modo store-and-forward, como descrito acima.

As informações coletadas podem ser utilizadas tanto para diagnóstico de problemas nosisoladores, quanto para desencadear de forma automática ações de manutenção. Com os dadosobtidos na inspeção será possível a geração de relatórios de problemas já com a lista deequipamentos e materiais necessários para os reparos.

A utilização de um helicóptero propiciará a obtenção de vistas adequadas para inspeção,visto que esse tipo de aeronave deverá dirigir-se até a torre de transmissão via pilotagem por vídeo(First Person Video – FPV) ao chegar à torre deverá realizar um sobrevoo semi-circular e de formaautomática em torno da torre, a partir da área da janela de missão, sugerida em [13], sempre

2 A partir da antena, i.e, a Estação Rádio-Base (ERB).Instituto de Ciências Exatas

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mantendo uma distância adequada da mesma para que não sofra interferências eletromagnéticas,como apresnetado na fig. 6.

Figura 6 – Janela de atuação do helicóptero [9].

Este projeto também abordará o desenvolvimento de métodos para automação da detecçãode problemas nos cabos e isoladores através de técnicas de visão computacional aplicadas emimagens visíveis e de infravermelho. Assim, pretende-se minimizar os problemas não detectados nainspeção devido a fadiga de inspetores humanos causada pela tarefa monótona.

II - Objetivos

A proposta do presente projeto envolve o desenvolvimento de um sistema computacionalpara o tratamento das informações coletadas por um helicóptero RC para inspeção de linhas aéreas.Esta particularidade implica na utilização de mecanismos de controle de atitude do helicóptero parapossibilitar seu movimento a uma distância segura da linha de transmissão de modo a evitarinterferências eletromagnéticas.

Com a utilização de um helicóptero RC capaz de operar de forma semi-autônoma, isto é,recebendo comandos de uma estação de controle em terra mas também utilizando algoritmos decontrole de trajetória visando facilitar seu uso pelo inspetor humano que opera da estação de controleem terra, será possível a coleta e o tratamento das informações e sua posterior transmissao parauma central de gerenciamento de informações via rede celular. Uma parte significativa deste projetoconsiste em desenvolver estratégias que possibilitem:

1) Identificar os principais problemas tecnológicos para a implementação de um sistema deinspeção automatizada de cabos e isoladores de linhas de transmissão através de umhelicóptero RC dotado de visão computacional capaz de:





1.1) Locomover-se perto da linha de transmissão e da torre, detectando e localizandoproblemas em cabos e isoladores.

1.2) Gerar um relatório dos problemas detectados com sua localização e um vídeo dainspeção, para permitir a supervisão (e validação da operação) do sistema por umoperador humano.

2) Desenvolver soluções para os problemas identificados em (1), com especial ênfase atécnicas que sejam adequadas aos tipos de linhas de transmissão. Objetiva-sedesenvolver soluções para três problemas em particular:

2.1) O problema de locomoção do helicóptero perto da linha de transmissão, 2.2) O problema inspeção dos cabos e 2.3) O problema de inspeção dos isoladores.

3) Construir um protótipo de helicóptero e estação de controle em terra para o serviço deinspeção de linhas de transmissão e Implementar as soluções mais promissorasdesenvolvidas em (2).

4) Avaliar o desempenho do protótipo em condições realistas.





III. Cronogramas

TABELA 1CRONOGRAMA FISICO 2011Tarefas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Análise de requisitos dos sistemasde SW e de banco de dadosImplementação do software decontrole do aeromodeloImplementação do SW dereconhecimento de imagensImplementação do sistema degerenciamento de falhas Integração dos sistemas de SWcom a central de banco de dadosPreparação dos manuais deoperação e manutenção

TABELA 2CRONOGRAMAFINANCEIRO TOTAIS

IT. DISPENDIO/MÊS 12M 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 MAT. BIBLIOGRAFICO 2000 1000 1000 COMPONENTES 20000 10000 5000 3000 2000 DIÁRIAS 4400 1100 1100 1100 1100 PASSAGENS 8000 5000 1000 1000 1000EQUIP. MAT. PERM. 12000 6000 6000 BOLSAS TECNICOS 12960 1080 1080 1080 1080 1080 1080 1080 1080 1080 1080 1080 1080 ESPECIALISTA 5000 5000 CONSULTOR 21120 1760 1760 1760 1760 1760 1760 1760 1760 1760 1760 1760 1760 PROFESSORES 54000 4500 4500 4500 4500 4500 4500 4500 4500 4500 4500 4500 4500TOTAIS 139480 35440 12340 10340 10440 9340 13340 9440 7340 7340 7340 9440 7340





IV. Orçamento

O investimento está orçado em R$ 139.480,00 (Cento e trinta e nove mil,quatrocentos e oitenta reais). Deste total R$ 46.400,00 (Quarenta e seis mil equatrocentos reais) referem-se a itens de dispêndio e R$ 93.080,00 (Noventa e três mil eoitenta reais) referem-se a bolsas. A aplicação desses recursos estão esclarecidos aseguir:

Material bibliográfico R$ 2.000,00Esta verba será destinada a aquisição de material bibliográfico e programas

de computador essenciais para o desenvolvimento das pesquisas relacionadas ao projeto.

Custeio R$ 44.400,00Desta verba, R$ 20.000,00 será destinada a aquisição de componentes

eletrônicos para as montagens de transmissores e receptores de câmeras, microfones,GPS no helicóptero e na estação de controle em terra a ser utilizado como protótipo.

Diárias R$ 4.400,00Serão 20 diárias a R$ 220.00 (20 x 220 = 4.400,00) para serem

distribuídas durante viagens a Belo Horizonte para reuniões técnicas respectivamentejunto a equipe de desenvolvimentO.

Passagens R$ 8.000,00 Pagamento de aluguel de veículo para 04 viagens Itajubá-Belo Horizonte-Itajubá para reuniões de trabalho com pesquisadores (4 x 1.000= R$ 4.000,00). Pagamento de passagens aéreas para 01 viagem Toulouse-São Paulo-Itajubá(1 x 4.000 = R$ 4.000,00) para prestação de serviços de consultoria técnica de prof. Dr.Especialista em engenharia de controle de ROVs.

Equipamentos e material permanente R$ 12.000,00 3 x 2.000= R$ 6.000,00 para aquisição de 3 computadores (Desktop) parao laboratório de multimídia onde deverão ser utilizados nas diversas etapas do projeto.

2 x 3.000= R$ 6.000,00 para aquisição de 2 computadores (Notebook)para o desenvolvimento de serviços de campo, ground station e apresentações.

Bolsas R$ 76.960,00

03 bolsistas alunos de graduação com dedicação integral, durante 12meses (3 x 360,00 x 12) total R$ 12.960,00 para três técnicos sendo um em eletrônicae dois candidatos técnicos em processamento de dados para apoiar os processos demontagem de placas, implementação de programas e testes de: circuitos integrados e





placas de circuitos impressos e componentes SMD, implementação de drivers decomunicação USB e comunicação rede celular.

01 bolsa especialista visitante durante 01 mês total R$ 5.000,00 para umprofessor com doutorado em Engenharia Elétrica com mais de 10 anos de experiência emdesenvolvimento de sistemas de controle de aeromodelos não tripulados.

01 bolsa de especialista em dimensionamento, montagem e testes dehardware para FVP dedicando 20 horas mensais durante 12 meses (1 x 20 x 88,00 x 12)total R$ 21.120,00 para um consultor com mais de 5 anos de experiência emdesenvolvimento de sistemas de controle de aeromodelos não tripulados.

Bolsa de desenvolvimento para professores R$ 54.000,00

Remuneração dos 03 professores executantes do projeto, dedicando 20horas mensais durante 12 meses (3 x 20 x 75,00 x 12) total R$ 54.000,00.

V. Equipe

Devido a suas características especiais o presente projeto conta com a participação deprofessores e profissionais de diferentes áreas do conhecimento. A equipe de projeto seráapresentada a seguir: Coordenador do projeto Prof. Dr. Alexandre Carlos Brandão Ramos – UNIFEI

Professor vinculado ao Laboratório de Multimídia e Interatividade, encarregado dacoordenação geral do projeto tanto da parte financeira quanto do desenvolvimento dos sistemas desoftware do projeto. O prof. Alexandre possui larga experiência no desenvolvimento de sistemas desoftware para controle e acompanhamento de processos e na aplicação de Inteligência Artificial paraapoio ao desenvolvimento desses sistemas.

Prof. Dr. Felix Antoine Claude Mora-Camino – ENAC (Fr) Consultor Professor vinculado a Ecole Nationale de L'Aviation Civile – ENAC, situada na cidade de

Toulouse, Fr consultor do desenvolvimento dos sistemas de software do projeto. O prof. Felix possuilarga experiência no desenvolvimento de sistemas de software para controle de vôo de aeronavesautônomas bem como na aplicação de Inteligência Artificial para apoio ao desenvolvimento dessessistemas. Laercio Mendonça F. Júnior – FVPRC Consultor Bacharel em Ciência da Computação, sócio gerente da empresa Fly Video Pilot RC Ltda.consultor para o dimensionamento, desenvolvimento e integração dos sistemas de hardware decomunicação helicóptero/ground station e comando do projeto. O Sr. Laércio possui larga experiênciano desenvolvimento e integração de sistemas de hardware para acompanhamento e controle de vôode aeronaves autônomas.





Prof. MC. Bruno Yuji Lino Kimura – UNIFEIEncarregado da implementação e análise experimental da comunicação de dados entre os

dispositivos móveis de coleta e os servidores de dados. O prof. Bruno possui experiência nodesenvolvimento de protocolos de comunicação persistente de dados sobre meios de transmissãointermitentes, como tecnologias de acesso sem fio, o que o qualifica amplamente para as tarefas aque está responsável.

Prof. MC. Sérgio de Souza Costa - UNIFEI Encarregado da implementação e análise do software de reconhecimento de padrões deimagens de defeitos em equipamentos fornecidos pela inspeção visual realizada pelo helicoptero. Oprof. Sérgio possui experiência no desenvolvimento de software de reconhecimento de imagens eprocessamento digital de imagens, o que o qualifica amplamente para as tarefas a que estáresponsável.

Técnico Rodolfo César Bernardes PalharesTrabalhará na montagem e testes do hardware e firmware a ser desenvolvido para a

avaliação dos dados de voo do helicóptero bem como das imagens coletadas. O técnico possuiformação técnica em eletrônica.

Técnico Guilherme Henrique CaponettoTrabalhará no desenvolvimento do software para transmissão dos dados da estação de

controle em terra para o computador central e posterior armazenamento no SGBD. O técnico estáterminando o curso de Bacharelado em Ciência da computação da UNIFEI.

Técnico Luiz Flávio Felizardo Trabalhará no desenvolvimento do software de controle de trajetórias e do SGBD que

permitirá a extração de informações sobre os defeitos nos equipamentos fornecendo dadosestatísticos etc. Presentes no computador central. A técnica está terminando o curso de Bachareladoem Sistemas de Informação da UNIFEI.

VI. Bibliografia

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[7] NOTÍCIAS FITEC. VANT – Primeiro voo autônomo no país. Extraído em 21/09/2010 do site:http://www.fitec.org.br/textos.asp?ACAO=MOSTRA_NOTICIA_2&cod_item=7&co [8] Roel Stolper and Jaco Hart. The design and evaluation of a Multi-Spectral Imaging Camera for theinspection of transmission lines and substation equipment. [9] FF Bologna, “Infrared and ultraviolet imaging techniques applied to the inspection of outdoortransmission voltage insulators”.[10] F Grum, LF Costa, “Spectral emission of corona discharges”, Applied Optics 15, 1976. Lewis JPinson, 1985.[11]Rangel, R. K., Kienitz, K. H. e Brandão, M. P. Sistema de Inspeção de Linhas de Transmissão deEnergia Elétrica Utilizando Veículos Aéreos Não-Tripulados. BRAZILIAN SYMPOSIUM ONAEROSPACE ENG. & APPLICATIONS. Setembro2009[12] Lages, W. F. Desenvolvimento de um Robô para Inspeção de Linhas de Transmisão.http://www.ece.ufrgs.br/~fetter/plir/ capturado em 21/09/2010.[13] Grejo, R. I. e Barrico, J. J. Manutenção em cadeias de isoladores de linhas de transmissão deenergia elétrica. SOCIEDADE BRASILEIRA DE ENGENHARIA DE SEGURANÇA. Fonte:http://sobes.org.br/site/wp-content/uploads/2009/08/ Extraído em 21/09/2010.



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