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Título: Método para projetar arquiteturas de sensores para detecção de obstáculos em veículos aéreos não tripulados dedicados à inspeção de torres de alta tensão
Título(s) alternativo(s): Method for designing sensor architectures for obstacle detection in unmanned aerial vehicles dedicated to high voltage tower inspection
Autor(es): Berger, Guido Szekir
Orientador(es): Wehrmeister, Marco Aurélio
Palavras-chave: Drone - Projetos e construção
Detectores - Aplicações industriais
Energia elétrica - Distribuição - Inspeção
Energia elétrica - Transmissão - Inspeção
Métodos de simulação
Drone aircraft - Design and construction
Detectors - Industrial applications
Electric power distribution - Inspection
Electric power transmission - Inspection
Simulation methods
Data do documento: 17-Fev-2020
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: BERGER, Guido Szekir. Método para projetar arquiteturas de sensores para detecção de obstáculos em veículos aéreos não tripulados dedicados à inspeção de torres de alta tensão. 2020. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2020.
Resumo: Este trabalho tem como objetivo propor um método para projetar arquiteturas de sensores base­ado em representações de figuras geométricas para identificação de obstáculos existentes den­tro do cenário de inspeções de torres de alta tensão com o uso de um VANT (Veículo Aéreo Não Tripulado) de pequeno porte. Neste contexto, esta temática e´ de grande interesse devido à necessidade de realizar inspeções cada vez mais complexas e sofisticadas. Aeronaves não tripuladas possuem a capacidade de conduzir inspeções sobre conjuntos de torres elétricas au­tonomamente e com custos operacionais reduzidos. Diferentes tipos de sensores de detecção, de baixo custo financeiro, foram caracterizados em ambientes interno e externo, das quais foram extraídas informações relacionadas ao seu desempenho de atuação. Para isto, foram utilizados como alvos dos sensores, componentes comumentes utilizados em torres de alta tensão, pos­sibilitando avaliar o comportamento de detecção dos sensores quando aplicados em cenários de inspeção de torres elétricas. Diferentes composições de sensores em VANTs multirrotores foram analisados, objetivando desenvolver uma arquitetura sensorial que seja capaz de iden­tificar múltiplos obstáculos quando aplicada ao cen´ario de inspeção de torres de alta tensão. Para isto, foram modelados no simulador V-REP, seus padrões de feixes, possibilitando anali­sar previamente, a capacidade de detecção de cada arquitetura modelada quando utilizada em um VANT multirrotor para inspeção de torres elétricas. Com base nos resultados obtidos pela caracterização de diferentes tipos de sensores, identificou-se que os sensores HC-SR04 e Li­darLite V3, apresentaram os melhores desempenhos de detecção, os tornando adequados para serem empregados em sistemas de prevenção de colisão com obstáculos em um VANT multir­rotor. Observou-se que a utilização de múltiplos sensores ultrassônicos, quando dispostos lado a lado, apresentaram bons resultados de detecção ao serem distanciados sob uma abertura angular de 25°, minimizando os problemas relacionados ao efeito crosstalk e de incerteza angular. Uma arquitetura de sensores de baixo custo, capaz de identificar múltiplos obstáculos existentes em um ambiente de inspeções detalhadas de torres elétricas, foi desenvolvida no simulador V-REP, gerando informações da capacidade de detecção para um VANT multirrotor. A mesma arquite­tura de sensores modelada no simulador V-REP foi integrada a um protótipo VANT multirrotor para adquirir informações de detecções em uma torre elétrica real. Os resultados gerados na comparação de desempenho dos sensores simulados com os reais, mostram a existência de estreita similaridade, indicando que o método desenvolvido nesta pesquisa pode servir como um mecanismo para avaliar preliminarmente o comportamento de detecção de diferentes arqui­teturas de sensores previamente caracterizados, quando utilizados em VANTs para inspeções elétricas. Diante disto, torna-se possível integrar os sensores caracterizados nesta pesquisa, em sistemas de controle de navegação com desvio de obstáculos em um VANT multirrotor, possi­bilitando o tornar autônomo e com capacidade de realizar tarefas de inspeções detalhadas sobre conjuntos de torres elétricas em um reduzido custo operacional.
Abstract: This project aims to propose a method for designing sensor architectures based on geometric representations to identify existing obstacles within inspection scenarios using a small Unmanned Aerial Vehicle (Unmanned Aerial Vehicle) specifically applied to high voltage tower monitoring. In this context, this area of research is of great interest due to the increasing complexity and sophistication of inspections. Small unmanned aircraft can be used to conduct operations of autonomous navigation on sets of high voltage towers at reduced operational costs. Different types of detection sensors, obtained at low financial costs, were characterized in internal and external environments, só that information related to their performance could be extracted. For this purpose, components commonly used in high voltage towers were used as targets, allowing the evaluation of the sensor’s detection capabilities when applied to high voltage tower inspection scenarios. Various sensor compositions in multirotor UAVs were analyzed, focusing on developing a sensorial architecture able to identify multiple obstacles in high voltage tower inspection scenarios. Therefore, sensor distribution models based on geometric representations were created by the V-REP simulator, which allowed the previous analysis of the detection behavior of each modeled architecture when used on a multi-rotor UAV. According to the results obtained by the characterization of different types of sensors, the HC-SR04 and LidarLite V3 sensors presented the best detection performances, making them suitable for use in obstacle prevention systems in multi-rotor UAVs. It was noted that the best detection performance for ultrasonic sensors arranged side by side is observed under the aperture angle of 25, which avoids problems related to the crosstalk effect and angular uncertainty. A low-cost sensor architecture, capable of identifying multiple obstacles existing in a detailed electrical tower inspection environment, was developed in the V-REP simulator to provide information about its detection capacity when applied to a multi-rotor UAV. The same sensor architecture used in the V-REP simulator has been integrated into a physical multi-rotor UAV prototype to acquire data in a real scenario. Thus, the results obtained by the comparison between the simulated sensors and the performance of real devices show the existence of close similarity in both cases, indicating that the method developed in this research can be used as a mechanism to preliminarily evaluate the detection behavior of different, and previously characterized, sensor architectures when used in UAVs for electrical inspections. Furthermore, it is possible to integrate navigation control systems, containing obstacle avoidance characteristics, into a multi-rotor UAV with the sensors featured in this research, making it autonomous and capable of performing detailed inspection tasks on electric tower assemblies at a reduced operating cost.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/4835
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