Geração de trajetória em espiral e navegação com desvio de obstáculos para veículos aéreos não-tripulados
Electric power companies usually distribute electricty using transmission lines over long distances from the origin of production to large consumer centers. To ensure continuity with the minimum interruption in power supply, there is a need for periodic inspection and maintenance on the lines and th...
| Autor principal: | Koslosky, Emanoel |
|---|---|
| Formato: | Dissertação |
| Idioma: | Português |
| Publicado em: |
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
2019
|
| Assuntos: | |
| Acesso em linha: |
http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/3916 |
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riut-1-39162019-03-01T06:01:02Z Geração de trajetória em espiral e navegação com desvio de obstáculos para veículos aéreos não-tripulados Generation of spiral trajectory and navigation with obstacle diversion for unmanned aerial vehicles Koslosky, Emanoel Wehrmeister, Marco Aurélio http://lattes.cnpq.br/5548205054206839 Wehrmeister, Marco Aurélio Todt, Eduardo Fabro, João Alberto Oliveira, André Schneider de Veículo aéreo não tripulado Simuladores de vôo Dispositivos de treinamento simulado Sensoriamento remoto Levantamentos de rotas Energia elétrica - Transmissão - Manutenção e reparos Drone aircraft Flight simulators Synthetic training devices Remote sensing Route surveying Electric power transmission - Maintenance and repair CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO Ciência da Computação Electric power companies usually distribute electricty using transmission lines over long distances from the origin of production to large consumer centers. To ensure continuity with the minimum interruption in power supply, there is a need for periodic inspection and maintenance on the lines and their support towers. Similarly, telecommunication companies need to perform this procedure, even if it does not involve long distances from conductive cables. These companies show interest in automated and remotely controlled inspection systems as they offer a lower cost and lower risk, while maintaining or improving quality inspection. The state of the art shows a range of solutions, ranging from robots to unmanned aerial vehicles (UAVs), popularly and commercially known as “drones”. The use of UAVs in monitoring in general, and especially for transmission lines, is a multidisciplinary process that involves aspects of aerodynamics, embedded system hardware, control system, mission generation and execution algorithms, image processing, among others. Each aspect can have several solutions. This work proposes a solution for the generation and execution of missions for the inspection of electricity transmission lines or telecommunication towers, in which the UAV follows a spiral path around the tower and has the capacity of obstacle deviation, allowing a complete view of the asset inspected. The solution consists of four main algorithms: (i) trajectory generation that creates a series of waypoints that draw a spiral shape, through parameters informed by the operator, as the distance between the center of the tower and the starting point of the navigation where the UAV is positioned; (ii) an obstacle detection algorithm determines the position of the obstacle in space by obtaining data from a set of ultrasonic distance sensors positioned around the UAV; (iii) a navigation time trajectory (re)planner allows the UAV to avoid the obstacles whose algorithm was based on a circular path formed by interpolated points and (iv) a mission manager that has the objective of scheduling the waypoints to be navigated by UAV, from both the main spiral route and the waypoints generated by the obstacle deviation algorithm. Three scenarios, using simulation software, were created to validate the proposed solution, The first one does not present any obstacle and is used as a control sample. The second scenario is composed by long obstacles arranged longitudinally and transversely to the spiral trajectory, in addition to a set of zig-zag obstacles. The third scenario is simpler and provides an obstacle with a greater extension than the UAV. The performance data of the experiments in each scenario were compared with the control scenario, including the comparison of the calculated and executed routes. As a result, it was possible to observe that performed route distance increases in comparison with the calculated one; such an increase is proportional to the amount of obstacle deviation executions. The results also shown that the solution is feasible and fully functional. As companhias de energia elétrica efetuam a distribuição de energia elétrica, na maioria das vezes, através de linhas de transmissão por cabos aéreos que percorrem longas distâncias desde a origem da produção, até os centros consumidores. Para garantir a continuidade com o mínimo de interrupção no fornecimento de energia, há a necessidade de inspeção e manutenção periódicas nas linhas e nas respectivas torres de sustentação. Também as companhias de telecomunicação precisam executar procedimento de inspeção nas torres. Estas empresas têm interesse em sistemas de inspeção automatizados e remotamente controlados, pois oferecem menor custo e risco ao operador. O estado da arte mostra diversas soluções, desde robôs que se deslocam no cabo, a Veículo Aéreo não Tripulado (VANT), em inglês “Unmanned Aerial Vehicle” (UAV). O emprego de VANTs no monitoramento em geral, é um processo multi-disciplinar que envolve aspectos de aerodinâmica, hardware de sistemas embarcados, sistema de controle, algoritmos de geração de missão e execução da navegação, entre outros. Cada aspecto pode ter diversas soluções. Neste trabalho é proposta uma solução para a geração e execução de missão para a inspeção de torres, permitindo uma visão completa do ativo inspecionado. Para isso foram propostos quatro algoritmos principais: (i) geração de trajetória o qual cria uma série de waypoints (coordenadas no espaço que correspondem a pontos de navegação) definindo uma espiral, através de parâmetros que o operador informa, como a distância entre o centro da torre e o ponto inicial da navegação onde o VANT é posicionado; (ii) um algoritmo para detecção de obstáculos no espaço que utiliza sensores de distância ultrassônicos; (iii) um planejador de trajetória em tempo de navegação que permite ao VANT desviar dos obstáculos cujo algoritmo se baseia em trajetória circular formada por pontos interpolados e (iv) um gerenciador de missão que tem o objetivo de escalonar os waypoints, tanto da rota principal em espiral, quanto dos waypoint gerados pelo algoritmo de desvio de obstáculo. Para a validação da solução proposta, foram criados três cenários em software simulador, sendo o primeiro sem obstáculo para servir como controle. O segundo com obstáculos longos dispostos longitudinal e transversalmente à trajetória em espiral, além de um conjunto de obstáculos em zig-zag. O terceiro cenário, mais simples, porém representando um obstáculo com extensão maior que o VANT. Cada cenário possibilitou a validação da rota calculada e a executada e permitiu identificar o desempenho dos algoritmos. Os dados das execuções dos experimentos em cada cenário com obstáculos foram comparados e com o cenário de controle. Como resultado, foi possível observar que a trajetória aumenta em comparação com a calculada proporcionalmente a quantidade de execuções de desvio de obstáculos, surgindo oportunidade para melhoria como trabalhos futuros. No entanto, os resultados obtidos nas simulações mostraram que a solução é viável. 2019-02-28T13:57:44Z 2019-02-28T13:57:44Z 2018-10-24 masterThesis KOSLOSKY, Emanoel. Geração de trajetória em espiral e navegação com desvio de obstáculos para veículos aéreos não-tripulados. 2018. 172 f. Dissertação (Mestrado em Computação Aplicada) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2018. http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/3916 por openAccess application/pdf Universidade Tecnológica Federal do Paraná Curitiba Brasil Programa de Pós-Graduação em Computação Aplicada UTFPR |
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Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
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Português |
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Veículo aéreo não tripulado Simuladores de vôo Dispositivos de treinamento simulado Sensoriamento remoto Levantamentos de rotas Energia elétrica - Transmissão - Manutenção e reparos Drone aircraft Flight simulators Synthetic training devices Remote sensing Route surveying Electric power transmission - Maintenance and repair CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO Ciência da Computação |
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Veículo aéreo não tripulado Simuladores de vôo Dispositivos de treinamento simulado Sensoriamento remoto Levantamentos de rotas Energia elétrica - Transmissão - Manutenção e reparos Drone aircraft Flight simulators Synthetic training devices Remote sensing Route surveying Electric power transmission - Maintenance and repair CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO Ciência da Computação Koslosky, Emanoel Geração de trajetória em espiral e navegação com desvio de obstáculos para veículos aéreos não-tripulados |
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Electric power companies usually distribute electricty using transmission lines over long distances from the origin of production to large consumer centers. To ensure continuity with the minimum interruption in power supply, there is a need for periodic inspection and maintenance on the lines and their support towers. Similarly, telecommunication companies need to perform this procedure, even if it does not involve long distances from conductive cables. These companies show interest in automated and remotely controlled inspection systems as they offer a lower cost and lower risk, while maintaining or improving quality inspection. The state of the art shows a range of solutions, ranging from robots to unmanned aerial vehicles (UAVs), popularly and commercially known as “drones”. The use of UAVs in monitoring in general, and especially for transmission lines, is a multidisciplinary process that involves aspects of aerodynamics, embedded system hardware, control system, mission generation and execution algorithms, image processing, among others. Each aspect can have several solutions. This work proposes a solution for the generation and execution of missions for the inspection of electricity transmission lines or telecommunication towers, in which the UAV follows a spiral path around the tower and has the capacity of obstacle deviation, allowing a complete view of the asset inspected. The solution consists of four main algorithms: (i) trajectory generation that creates a series of waypoints that draw a spiral shape, through parameters informed by the operator, as the distance between the center of the tower and the starting point of the navigation where the UAV is positioned; (ii) an obstacle detection algorithm determines the position of the obstacle in space by obtaining data from a set of ultrasonic distance sensors positioned around the UAV; (iii) a navigation time trajectory (re)planner allows the UAV to avoid the obstacles whose algorithm was based on a circular path formed by interpolated points and (iv) a mission manager that has the objective of scheduling the waypoints to be navigated by UAV, from both the main spiral route and the waypoints generated by the obstacle deviation algorithm. Three scenarios, using simulation software, were created to validate the proposed solution, The first one does not present any obstacle and is used as a control sample. The second scenario is composed by long obstacles arranged longitudinally and transversely to the spiral trajectory, in addition to a set of zig-zag obstacles. The third scenario is simpler and provides an obstacle with a greater extension than the UAV. The performance data of the experiments in each scenario were compared with the control scenario, including the comparison of the calculated and executed routes. As a result, it was possible to observe that performed route distance increases in comparison with the calculated one; such an increase is proportional to the amount of obstacle deviation executions. The results also shown that the solution is feasible and fully functional. |
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Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
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KOSLOSKY, Emanoel. Geração de trajetória em espiral e navegação com desvio de obstáculos para veículos aéreos não-tripulados. 2018. 172 f. Dissertação (Mestrado em Computação Aplicada) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2018. |
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