ROBÔ AUTONÔMO PARA INSPEÇÃO DE LINHAS DE ALTA TENSÃO - PDF
ROBÔ AUTONÔMO PARA INSPEÇÃO DE LINHAS DE ALTA TENSÃO
Download "ROBÔ AUTONÔMO PARA INSPEÇÃO DE LINHAS DE ALTA TENSÃO"
Sofia Camarinho Brás
1 ROBÔ AUTONÔMO PARA INSPEÇÃO DE LINHAS DE ALTA TENSÃO EDUARDO J. LIMA II 1, MARCELO H. S. BOMFIM 2, ALEXANDRE Q. BRACARENSE 1, ROBERTO A. GONTIJO 1, MIGUEL MOURÃO 3, CLEBER V. R. ALMEIDA 2, ANDREA BARRETO 2, MARCO A. REIS 2 1 Laboratório de Robótica Simulação e Soldagem (LRSS), Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Minas Gerais, Av. Antonio Carlos, 6627, , Belo Horizonte, MG, Brasil 2 Brazilian Institute of Robotics (BIR), SENAI CIMATEC, Av. Orlando Gomes, 1845, , Salvador, BA, Brasil 3 CEMIG Distribuição S.A., Av. Barbacena, 1200, , Belo Horizonte, MG, Brasil s: Abstract For several years, the inspection of high voltage transmission lines has been regularly done by manned aircraft, performing flights at low altitude and near to transmission lines. Besides being a costly way of inspection, in some cases, due to weather and other factors that hinder the flyby, the crew may be subject to risks associated with the task. Alternatively to the use of aircraft, inspection by ground vehicles is presented as a limited inspection due to situations of inaccessibility of the terrain and unfavorable viewing angle. In this scenario, a form of autonomous inspection by robotic systems becomes a promising solution regarding the reduction of costs, risks and increased productivity. The project aims to propose an autonomous robot to perform visual and thermal inspection of cables of energized transmission lines (live) 138 kv. The autonomous robot will be able to identify and photograph hot spots in the cables and detect certain obstacles and translate them to continue the inspection. Keywords autonomous robot, visual and thermal inspection and energized transmission lines. Resumo Durante vários anos, a inspeção de linhas de transmissão de alta tensão tem sido feito regularmente por aviões tripulados, realizando voos a baixa altitude e perto de linhas de transmissão. Além de ser uma forma onerosa de inspeção, em alguns casos, devido às condições meteorológicas e outros fatores que dificultam o sobrevoo, a tripulação pode estar sujeita a riscos associados com a tarefa. Como alternativa para o uso de aeronaves, a inspeção por veículos terrestres é apresentada como uma inspeção limitada, devido a situações de inacessibilidade do terreno e ângulo de visão desfavorável. Neste cenário, uma forma de inspeção autônoma por sistemas robóticos, torna-se uma solução promissora quanto à redução dos custos, riscos e aumento da produtividade. O projeto tem como objetivo propor um robô autônomo para executar a inspeção visual e térmica de cabos de linhas de transmissão energizados com potencial de 138 kv. O robô autônomo será capaz de identificar e fotografar pontos quentes presentes nos cabos e detectar certos obstáculos e transpô-los para continuar a inspeção. Palavras-chave robô autônomo, inspeção visual e térmica e linhas de transmissão energizadas. 1 Introdução No Brasil, a eletricidade é gerada por hidrelétricas, termelétricas, parques eólicos e usinas nucleares. Na maioria dos casos, devido a condições geográficas e de segurança, a energia gerada nem sempre é utilizada ou consumida no local de sua geração. Portanto, há a necessidade do uso de linhas de transmissão para transportar energia gerada na fonte (plantas) para a carga do consumidor (Brandão, 2009). O mercado consumidor brasileiro é composto de cerca de 47 milhões de unidades. Em termos de linhas de transmissão de energia, são cerca de km, que devem estar operando 24 horas por dia, 7 dias por semana, 365 dias por ano e em perfeito estado de manutenção, para garantir eletricidade para os consumidores (ONS, 2006). Hoje em dia, a inspeção em linhas de transmissão de energia é realizada por aeronaves tripuladas que se deslocam ao lado de linhas de alta tensão usando câmeras termográficas, que mensuram a temperatura nos cabos (Figura 1). Os gastos com esse tipo de inspeção são extremamente elevados. Como resultado, as empresas responsáveis pela transmissão de energia não monitoram continuamente as condições dos cabos e realizam inspeções de linhas de transmissão em grandes intervalos de tempo. Figura 1. Inspeção de linhas de transmissão de energia feita por aeronaves tripuladas. Outra maneira de inspecionar as linhas de transmissão é através de eletricistas que literalmente caminham sobre os cabos de linhas de transmissão de alta tensão (Figura 2), realizando inspeção visual e termográfica. Esse tipo de inspeção é lenta e não é viável, tendo em vista que o país possui milhares de quilômetros de linhas de transmissão. 3166
2 Figura 3. Deslocamento da lagarta para o salto de obstáculos. Figura 2. Técnico realizando manutenção em linhas vivas. Ambos os modos de inspeção de linhas de transmissão são perigosos, apresentando riscos para as pessoas que estão a bordo do helicóptero, uma vez que este tem que voar perto das linhas de transmissão e representando perigo de morte para o eletricista. Consequentemente, realizar a inspeção de linhas de transmissão utilizando robôs móveis é algo que está ganhando destaque no século XXI. Neste contexto, o principal objetivo deste trabalho é criar um robô autônomo (batizado de D311) para realização de inspeção visual e térmica nas linhas de transmissão de energia de 138 kv. 2 Materiais e Métodos Um robô para inspeção de linhas de transmissão deve ser capaz de transpor obstáculos como o grampo de suspensão, terminais de fixação do parafuso, dispositivos antivibração etc. Além disso, o robô deve buscar reunir as melhores características aerodinâmicas e elétricas possíveis. Dentre as características aerodinâmicas, pode-se citar o menor peso possível e formas suaves, sem cantos vivos, o que pode atenuar perturbações causadas por ventos. Eletricamente, o robô deve formar um escudo eletromagnético que deve impedir que os intensos campos elétricos e magnéticos, devido a altas correntes passando em linhas de transmissão, possam danificar seus componentes eletrônicos, além disso, deve fornecer um sistema de comunicação sem fio que não seja influenciado pelo alto campo eletromagnético em torno dos cabos. Tendo isso em vista, os engenheiros envolvidos no processo optaram por materiais utilizados na indústria aeronáutica, Alumínio liga 7075, por exemplo, e estrutura mecânica modular, como será apresentado adiante. Para esse projeto, foram utilizados princípios de bioengenharia para encontrar uma solução otimizada para a estrutura mecânica. Neste contexto, o projeto do robô autônomo foi inspirado na lagarta Caterpillar (Figura 3). A lagarta utiliza dois motores que aproximam a parte traseira da parte frontal formando um U para superar um obstáculo à frente. O robô foi projetado para deslocar da mesma forma que a lagarta, quando houver a necessidade de transposição de obstáculos. O robô vai trabalhar sob o cabo de suspensão através de um conjunto de garras. A Figura 4 apresenta um esboço da estrutura mecânica da máquina. Figura 4. Esboço inicial do robô autônomo para inspeção de linhas de transmissão energizadas com 138kV. 3 Concepção da Arquitetura de Controle e Componentes de Sistemas Para o correto funcionamento do projeto, os seguintes itens devem ser atendidos como prérequisitos: 1. O robô deverá trabalhar em uma faixa de tensão entre 124,2kV e 151,8kV com corrente trifásica de 500A. 2. O robô deverá ser autônomo, dependendo de operadores apenas para sua instalação e remoção no trecho a ser inspecionado ou por eventuais paradas emergenciais. 3. O robô deverá operar em um cabo condutor LINNET, com diâmetro de 18,3mm. 4. A massa do robô deverá ser menor ou igual a 14Kg. 5. O robô deverá ser provido de blindagem elétrica e magnética de forma a assegurar seu funcionamento na linha de transmissão. 6. O robô deverá realizar inspeção visual e térmica, diagnosticando possíveis falhas no sistema que podem interferir no fornecimento de energia elétrica. Para execução do projeto por uma equipe multidisciplinar envolvendo as instituições parceiras, o robô autônomo foi descrito em oito sistemas: mecânico, acionamento, comunicação externa, controle, processamento central, sensoriamento, visualização e potência. 3.1 Sistema Mecânico Para atingir os objetivos supramencionados, o robô deverá ser capaz de transportar os oito sistemas, além de seu próprio peso. O grande problema encontrado é que as linhas de transmissão de alta 3167
3 tensão possuem obstáculos que dificultam o deslocamento do dispositivo robótico. Na Figura 5, é apresentado um desses obstáculos, o terminal passante das cadeias de isoladores de ancoragem (Jumper). Figura 5. Terminal passante das cadeias de isoladores de ancoragem (Jumper). No percurso, o robô terá que transpor obstáculos para que sua inspeção seja contínua na linha de transmissão. Uma solução viável para esse problema é a utilização do princípio de bioengenharia, onde a transposição dos obstáculos será baseada no deslocamento realizado pela lagarta Caterpillar, tendo em vista que soluções encontradas pela natureza são, na maioria das vezes, modelos extremamente otimizados. Assim, o conceito mecânico proposto pode ser dividido em três tipos de módulos: módulo de busca, módulo de tração e módulo de apoio. Essas unidades podem ser verificadas nas Figuras 6 e 7, respectivamente. O módulo de busca é responsável por suportar os sensores utilizados durante a realização da inspeção e trabalha como guia para o robô durante a transposição de obstáculos. O módulo de tração é responsável pela força motora do dispositivo robótico e seu deslocamento pelo meio de locomoção considerado. Finalizando, o módulo de apoio atua como ponto de referência para a movimentação do equipamento quando da transposição de obstáculos, funcionando como um ponto de apoio que diminui a alavanca advinda do movimento dos outros módulos durante as rotinas de transposição dos obstáculos. A associação de tais módulos para a configuração da estrutura completa do dispositivo robótico pode ser vista na Figura 8, na qual se associam dois módulos de tração ao módulo de apoio, que fica no centro da estrutura, por meio de hastes acopladas à extremidade dos motores fixos à estrutura de cada módulo. Associados a cada umas das outras extremidades dos dois módulos de tração, encontra-se um módulo de busca, também por meio da utilização de hastes. Essa característica de simetria permite ao aparato desenvolvido o deslocamento em qualquer uma das direções do cabo suspenso, evitando a necessidade de desacoplamento em caso da necessidade de mudança na direção de inspeção. A estrutura mecânica desenvolvida possui oito articulações, sendo quatro dotadas de movimentação de rotação segundo os eixos horizontal e vertical e quatro dotadas de rotação vertical (Figura 8). Em se tratando de um dispositivo que se propõe a transpor uma série de tipos de obstáculos, as articulações são elementos essenciais para que o equipamento possua graus de liberdade suficientes para assumir um número apreciável de configurações. (a) (b) Figura 8. (a) Disposição das unidades e (b) posicionamento das articulações. 3.2 Sistema de Acionamento (a) (b) Figura 6. (a) Módulo de Busca e (b) Módulo de Tração. Figura 7. Módulo de Apoio. Tendo em vista o atendimento dos requisitos de torque e potência necessários para as juntas do robô, foram selecionados os servomotores da família Dynamixel, do fabricante Robotis, por possuírem algumas características complementares importantes para rápido desenvolvimento do sistema. Foram utilizados os modelos Dynamixel MX-28R e MX- 106R para acionamento das juntas do robô. Algumas dessas características são listadas a seguir (Dynamixel, 2014): 1. Comunicação digital através de interface em rede RS-485; 3168
4 2. Amplitude de rotação de 360 e capacidade de giro contínuo; 3. Controlador PID com parâmetros configuráveis; 4. Encoder magnético absoluto com resolução de 12 bits. Cada unidade do robô contará com um hub para a conexão de seus servomotores Dynamixel. O papel destes hubs é compartilhar as conexões de alimentação e sinal entre os servomotores, utilizando conectores de barras de pinos compatíveis. 3.3 Sistema de Comunicação Externa Para o correto funcionamento do sistema de comunicação externa, os seguintes itens devem ser atendidos: 1. A comunicação com o robô de inspeção deverá ser galvanicamente isolada, garantindo a segurança do operador em campo; 2. A comunicação usual com o robô deverá ser possível a uma distância de pelo menos vinte metros, correspondente à altura média da torre; 3. A comunicação com o robô deverá disponibilizar um recurso de envio de sinal de alarme para resgate, sendo esta forma particular de comunicação possível a distâncias superiores a um quilômetro; 4. A comunicação com o robô deverá disponibilizar recursos para configuração/parametrização remota do robô de inspeção, visualização remota e em tempo real do status e do funcionamento do robô, bem como dos dados dos sensores, além de prover recursos para recuperar os dados de inspeção como: fotos, vídeos e relatórios. A solução proposta é a de basear o sistema de comunicação externa na implementação de uma rede sem-fio (wireless) entre o operador e o robô de inspeção de linhas vivas, sendo o meio físico para a implementação dessa rede baseado no uso de um módulo Wi-Fi. Os adaptadores USB Wi-Fi utilizam, como o próprio nome indica, qualquer porta USB presente no computador. A vantagem deste tipo de dispositivo está no fato de não ser necessário abrir o computador para instalá-lo e de poder removê-lo facilmente de uma máquina para acoplá-lo em outra. No entanto, como adaptadores USB geralmente são pequenos, sua antena é de tamanho reduzido, o que pode fazer com que o alcance seja menor que o de uma placa Wi-Fi PCI Express, por exemplo. Desta forma, para que a rede funcione, deverá ser implementado um script em Linux de configuração automática da rede Wi-Fi, que deverá ser executado automaticamente após a inicialização. Com a adoção desse conceito para comunicação do robô, o sistema de comunicação externa propõe implementar a interface homem máquina (IHM) do robô como uma página web sendo executado como uma aplicação do sistema operacional do robô. Uma vez que a página web é aberta em um navegador, a IHM poderá ser acessada por meio do navegador presente em um smartphone, tablet, laptop ou desktop, aproveitando o avanço da conectividade destes aparelhos, com a adoção de recursos de rede Wi-Fi, praticamente como um padrão. Assim, graças às alternativas adotadas, o custo de hardware do sistema é reduzido em relação ao projeto de módulos proprietários, sendo este custo em maior parte resumido apenas ao custo do adaptador Wi-Fi, do modem 3G com GSM/GPRS e das antenas e cabos. Com a implementação do servidor web no robô e uma página de acesso, controle, configuração, parametrização e supervisão, o sistema será multiplataforma, não sendo necessário desenvolver uma aplicação cliente, pois ela será o navegador (browser) do próprio tablet, notebook ou celular do operador. Este só precisará abrir o navegador e no campo na URL digitar o numero do IP do robô, estabelecer a conexão, receber a página da IHM, efetuar o logon e, se o acesso for permitido, supervisionar o funcionamento e controlar algumas funcionalidades do robô remotamente. Serão descritas a seguir as estratégias de realização do conceito do sistema de comunicação externa apresentado nesta proposta. Para os exemplos descritos, foi adotada a hipótese de a CPU do robô possuir um sistema operacional Linux e, sobre este, ser instalado e executado o ROS, onde são desenvolvidos os softwares de gerenciamento e controle do robô e dos seus subsistemas internos Integração de Hardware A integração do Adaptador USB Wi-Fi com o Sistema de Processamento Central será feita por meio do acoplamento direto a uma das interfaces USB host da placa principal do robô, sem necessitar do desenvolvimento de quaisquer placas eletrônicas adicionais. O Modem 3G/2G USB, modelo MF622 da ZTE será integrado ao Sistema de Processamento Central também por meio de uma segunda interface USB host presente na placa principal do robô, não requerendo também um circuito eletrônico adicional. O diagrama com o esquema das ligações a serem realizadas para integrar o Sistema de Comunicação Externa ao Sistema de Processamento Central, conforme acima, é apresentado na Figura 9. Figura 9. Diagrama de Interligação dos Módulos do Sistema de Comunicação Externa. 3169
5 3.3.2 Integração de software Todo o desenvolvimento de software para controle, gerenciamento de sistemas e de recursos do robô será baseado no ROS, uma plataforma de software de código aberto, onde seu framework é um rico conjunto de ferramentas que gerencia de forma eficiente a medição entre sistema operacional e demais aplicações, fornecendo bibliotecas reutilizáveis e ferramentas que são projetadas para trabalhar de forma independente, para aplicações no campo da robótica. Não será necessária a implementação de um servidor web para ser executado no robô. Como nele será utilizado o ROS, este já possui um servidor web disponível, o rosserverjs. Este servidor será capaz de ler tópicos ROS e publicar tópicos relativos aos outros sistemas para se comunicar aos mesmos, coletando informações para repassar a IHM. 3.4 Sistema de Controle O controle de cada junta é feito de forma independente, descentralizado. Entende-se que as entradas de controle de cada junta apenas dependem do deslocamento e da velocidade da respectiva junta. Muitas vantagens são oferecidas por esse tipo de controle devido à simplicidade de sua estrutura. Utilizando controle de junta independente, não é necessário preocupar-se com a comunicação entre as juntas. Além disso, baixo custo de hardware é requerido e o esforço computacional dos controladores podem ser reduzidos, não se tendo um alto custo de software nas implementações recentes. Por fim o controle independente de junta tem a característica de escalabilidade uma vez que os controladores têm a mesma formulação. A mais simples estratégia de controle de junta independente é controlar cada eixo da junta como um sistema de uma entrada e uma saída, SISO (single input, single output). Os efeitos de acoplamento entre as juntas devido à variação de configuração durante a movimentação são tratados como perturbações de saída. Caso as hastes do robô fossem interligadas diretamente ao eixo do motor, seria utilizado o próprio controlador PID dos motores para realizar o controle de cada junta e consequentemente, de todo o conjunto robótico. Entretanto, a utilização de engrenagens se faz necessária para se alcançar os torques desejados para a adequada movimentação do robô. Sendo assim, essas engrenagens inserem folgas que, embora não sejam tão relevantes, podem influenciar na diferença de posição real da haste movimentada pelo motor e a posição do eixo do motor indicada pelo encoder interno existente no motor. Para assegurar que o valor correto da posição da haste está sendo lida pelo controlador, foram selecionados encoders absolutos. 3.5 Sistema de Processamento Central Para o Sistema de Processamento Central, a solução adotada é um sistema computacional utilizando Linux embarcado como seu sistema operacional, contando com um framework (ROS) para desenvolvimento de sistemas robóticos. Os itens selecionados para a implementação do sistema são descritos nas seções seguintes, bem como a arquitetura de software escolhida para a implementação da autonomia do robô Placa de Processamento Central Buscando-se o atendimento dos requisitos de processamento e funcionalidade do sistema de processamento central, foi escolhido um computador de única placa (SBC) baseado no padrão PC/104- Plus. O modelo a ser adotado é o SBC CoreModule 745, produzido pela empresa Adlink Technology Inc., que dentre suas características possui conexão de vídeo, portas USB, interfaces de comunicação serial RS-232/RS-422/RS-485 e etc Sistema Operacional O sistema operacional Linux a ser instalado na placa de processamento central será a versão Ubuntu 12.04, que conta com suporte de longo prazo, com atualizações garantidas até abril de Framework de Desenvolvimento em Robótica A plataforma utilizada para desenvolvimento e operação do software do robô foi o ROS, um framework de código aberto disponível gratuitamente que fornece bibliotecas, drivers e ferramentas auxiliares para o projeto de sistemas robóticos. O ROS auxilia especificamente o projeto de sistemas de software de robôs, e fornece tanto o ambiente para execução de programas quanto as ferramentas para desenvolvimento e depuração destes. Foi utilizada sua versão de nome ROS Groovy Galapagos. 3.6 Sistema de Sensoriamento Para a execução do projeto, a detecção dos obstáculos deve ser feita pelo uso combinado dos sensores ultrassônicos e laser. Os sensores ultrassônicos são eficazes na mensuração da distância que o mecanismo robótico encontra-se do obstáculo. Já o sensor laser, através de um sistema de varredura (Laser Scan) é capaz de modelar qual a forma do obstáculo, informando qual estratégia de transposição o robô deverá aplicar. 3.7 Sistema de Visualização O sistema de visualização é o responsável pelo gerenciamento dos recursos de registro de operação e 3170
6 pontos de interesse, bem como por toda a interface entre os sistemas pertinentes. Além de gerenciar os recursos e controlar os aspectos referentes à comunicação com diferentes sistemas e ainda entre seus próprios processos, o sistema de visualização ainda referencia os acontecimentos dignos de registro em um log de informações, mostrando-o ao usuário da maneira mais conveniente, como legenda de vídeo ou título de imagem. O Sistema de Visualização é composto por duas câmeras, em que uma abrange o Espectro Visível (EV) e a outra o Espectro Infravermelho (Infra-Red - IR). A Câmera EV destina-se a um registro da operação do dispositivo robótico nas linhas aéreas, filmando assim a faixa de servidão e as estruturas envolvidas (cabos, torres, ferragens etc.). Já a Câmera IR destina-se à captura de imagens termográficas, através das quais é possível realizar diagnósticos pontuais buscando verificar a integridade física dos componentes das linhas, em termos de fissuras, corrosão e eventuais danos que venham a prejudicar o fornecimento de energia elétrica. 3.8 Sistema de Potência O sistema de potência do robô foi dimensionado de forma a proporcionar uma autonomia de quatro horas, onde o dispositivo irá monitorar e inspecionar uma região de oito quilômetros sem a necessidade de recarga de baterias. Para tanto, foram selecionadas as baterias e subsistemas de gerenciamento relacionados a seguir: Baterias As baterias que devem compor o sistema de potência do robô são fabricadas utilizando polímero de lítio (LiPo). Essas baterias possuem elevada durabilidade, eficiência, menor número de manutenções e são leves Circuito de gerenciamento de potência O sistema de gerenciamento de potência tem como função monitorar o status do sistema de alimentação do robô e informar ao Sistema de Processamento Central a autonomia das baterias, além da geração de tensões de alimentação para os motores e sistemas eletrônicos. O diagrama em blocos deste sistema pode ser visto na Figura 10. Figura 10. Diagrama esquemático do Sistema de Potência. Cada bateria do sistema é monitorada em um circuito eletrônico individual, projetado com o circuito integrado DS2788E+. O circuito integrado DS2788E+ é capaz de medir a temperatura, corrente e tensão da bateria correspondente e estimar a capacidade disponível. A comunicação entre o circuito integrado DS2788E+ e o Sistema de Processamento Central é intermediada por um microcontrolador, ATMEGA328 do fabricante Atmel. 4 Discussão dos Resultados Após a seleção, projeto e construção dos oito sistemas do Robô Autônomo, ensaios experimentais foram executados no vão de testes montado em laboratório (Figura 11). Nos testes iniciais, a estrutura mecânica, juntamente com o sistema de acionamento foram ensaiados. O resultado foi o esperado, devido a morfologia do dispositivo transpor obstáculos encontrados nas linhas de transmissão e o sistema de acionamento responder de forma precisa a comandos de deslocamento, velocidade e aceleração. Figura 11. Ensaios iniciais no vão de testes. 3171
7 A segunda etapa consistiu nos testes dos vários sensores utilizados. A Figura 12 apresenta os testes com o sensor a laser (Sistema de Sensoriamento), onde, através de sua varredura a laser (Laser Scan), os obstáculos da linha de transmissão foram detectados, permitindo a transposição do robô. Os resultados dos testes demonstraram a rapidez e eficácia nos Sistemas de Sensoriamento e Visualização. Figura 12. Testes de identificação de obstáculos com o sensor a laser. A Figura 13 apresenta a primeira versão do mecanismo robótico. Na terceira e última etapa, a estrutura final foi testada no Laboratório de Ensaios Elétricos da concessionária de energia elétrica e posteriormente na Subestação, onde sua susceptibilidade às interferências magnéticas e ao campo elétrico gerado pelo potencial da linha foi analisada. Nesta etapa, foram executados testes em linha viva de 138kV, sendo que nos testes em laboratório elevou-se a tensão até 207kV. Os sistemas do robô responderam de forma satisfatória e a manutenção preditiva foi executada corretamente. Outra questão diz respeito ao peso, excessivamente alto para instalação manual pelo operador. O D311 possui um peso aproximadamente 7 vezes menor. Essa característica pode ser justificada devido ao fato do LineScout utilizar juntas prismáticas ao invés de juntas articuladas, como pode ser verificado na Figura 14(a). Um ponto negativo da utilização da junta articulada está relacionado com sua baixa rigidez e a inexistência de auto-travamento, o que exige um maior esforço dos motores. Outro ponto a ser destacado é que o robô D311 utiliza um framework open source (ROS). Já o LineScout utilizada uma interface digital LabView (Figura 14(b)). Realizando um estudo comparativo entre o ROS e a interface LabView, pode ser verificado que esta segunda interface é mais fácil de ser implantada devido ao fato de possuir biblioteca e interfaces gráficas para controle e captação de dados de diferentes tipos de atuadores e sensores. A plataforma LabView passa a ser desinteressante para o D311 devido ao alto valor de licenças que devem ser pagas e a dificuldade de realizar implementações nas tarefas que podem ser executadas pelo robô e não estão prontas na biblioteca citada. (a) Figura 13. Estrutura final do Robô Autônomo D Resultados comparativos Diversos estudos mostram a aplicação de diferentes configurações de robôs para a tarefa de inspecionar linhas de transmissão de alta tensão. Em Montambault (2007), é utilizado um robô teleoperado para inspeção e manutenção de linhas de 735kV. Uma das principais diferenças entre o D311 e o LineScout seria que o D311 é autônomo e o LineScout é teleoperado. Desta forma, as operações executadas pelo robô, no caso do LineScout, dependem da habilidade do operador, o que pode introduzir erros ao processo devido a uma má operação do sistema. (b) Figura 14. Robô LineScout utilizado para inspeção de linhas de alta tensão: a) LineScout em serviço e b) Diagrama esquemático da unidade de controle. Fonte: Montambault, Outra abordagem também utilizada para a tarefa de inspeção das linhas de transmissão é a utilização de VANTs (Veículos Aéreos Não Tripulados), como pode ser visto em Brandão (2009), CEMIG (2014) (Figura 15). Fazendo um estudo comparativo entre a utilização de VANTs e robôs conectados às linhas de alta tensão, pode-se ver que a velocidade de inspeção é muito mais rápida com a utilização de veículos aéreos do que em robôs como o D311. Em veículos 3172
8 aéreos, velocidades de 15m/s podem ser alcançadas, enquanto no D311 e no LineScout essa velocidade está em torno de 0,5m/s. Mas os VANTS apresentam características negativas no que tange a necessidade de extensas áreas para pouso e decolagem. Também pode ser verificado que o controle de posicionamento e altitude é realizado por sensores, tais como GPS, que apresentam baixa precisão, 5 a 15 metros para o GPS, o que pode dificultar a indicação precisa de pontos quentes em linhas de alta tensão, por exemplo. Outros pontos a serem destacados são que veículos aéreos sofrem grande influência de perturbações externas, tais como ventos, e muitas vezes os sensores possuem taxas de amostragem insuficientes para elevadas velocidades de varredura. de execução do projeto. Os benefícios da utilização de sistemas open source são imensuráveis, tanto do ponto de vista acadêmico como do ponto de vista industrial. Além da redução de custo e tempo, pode-se também citar a facilidade de manutenção e implementação de novas tarefas ao mecanismo robótico. Desta forma, este trabalho atendeu aos seus objetivos, pois criou uma ferramenta de custo acessível, eficaz, de alto ganho produtivo e de fácil manutenção para a execução da inspeção preditiva das linhas de transmissão de alta tensão. Agradecimentos Os autores agradecem à CEMIG e ao Programa de P&D ANEEL pelo financiamento e apoio técnico, bem como ao SENAI/CIMATEC-BA e à UFMG por terem fornecido a estrutura necessária para a execução do projeto e realização de testes. Referências Bibliográficas Figura 15. Protótipo de um VANT. Fonte: CEMIG, Desta forma, para a definição da utilização de um VANT ou de um robô conectado à linha de transmissão, deve ser minuciosamente estudado levando-se em consideração as características atmosféricas da área a ser inspecionada, bem como as características dos sensores, capacidade de autonomia, necessidade de manutenção e exatidão na localização de defeitos estruturais das linhas de alta tensão. 6 Conclusão Atualmente, são cerca de km de linhas de transmissão em operação que cortam o território nacional. A inspeção realizada por processos manuais são formas de manutenção onerosas e ineficazes devido à grande extensão das linhas, além de serem tarefas danosas e perigosas à saúde humana. Desta forma, o Robô Autônomo de Inspeção de Linhas de Alta Tensão é uma solução tangível para que as operadoras de energia não interrompam o fornecimento devido às condições de suas linhas de transmissão. Em seu aspecto construtivo, o mecanismo robótico foi concebido através de princípios da bioengenharia. A utilização desse princípio foi bem sucedida, tendo em vista que o robô executa a transposição de obstáculos de forma otimizada em termos de consumo energético. Com relação aos sistemas de hardware e software, a utilização de linguagens de programação e sistemas operacionais não proprietários fez com que houvesse uma redução significativa do custo e tempo Adlink Technology Inc, Acesso em: 13/03/2014. Brandão, M. P., Kienitz, K. H. K., Rangel B. K. Sistema de Inspeção de Linhas de Transmissão de Energia Elétrica Utilizando Veículos Aéreos Não-Tripulados. 3rd CTA-DRL Workshop on Data Analysis & Flight Control, September 14-15, 2009, S. J. Campos, SP, Brazil. Denbest, P. et all. Expliner-Toward a Practical Robot for Inspection of High-Voltage Lines, Field and Service Robotics, vol 62, Dynamixel_motor, Acesso em: 12/12/2013. Vargas, I. G., Tavares, D. M. "Estudo de Caso Usando o Framework Robot Operating System (ROS)". X Encontro Anual de Computacao EnAComp Montambault, S., Pouliot, N. Design and Validation of a Mobile Robot for Power Line Inspection and Maintenance. 6 th International Conference on Field and Service Robotics FSR-2007, December, 2007, Charmonix, France. ONS (2006), Dados Relevantes 2006: Operação do Sistema Interligado Nacional, ONS - Operador Nacional do Sistema Elétrico. Zhou, F. Y., Wang J. D, Li, Y. B.,Wang, J., Xiao, H. R. Control of an Inspection Robot for 110KV Power Transmission Lines Based on Expert System Design Methods. Proceedings of the 2005 IEEE Conference on Control Applications. Toronto, Canada, August 28-31, CEMIG (2014). Sítio da internet: Energia.blogspot.com.br/2012/03/cemig-investeem-aeronaves-autonomas.html. Acesso em: 11/06/