Registro fonte: Método para projetar arquiteturas de sensores para detecção de obstáculos em veículos aéreos não tripulados dedicados à inspeção de torres de alta tensão

Método para projetar arquiteturas de sensores para detecção de obstáculos em veículos aéreos não tripulados dedicados à inspeção de torres de alta tensão

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 contex...

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Autor principal:	Berger, Guido Szekir
Formato:	Dissertação
Idioma:	Português
Publicado em:	Universidade Tecnológica Federal do Paraná 2020
Assuntos:	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 CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA Engenharia Elétrica
Acesso em linha:	http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/4835
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id	riut-1-4835
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spelling	riut-1-48352020-04-09T06:01:07Z Método para projetar arquiteturas de sensores para detecção de obstáculos em veículos aéreos não tripulados dedicados à inspeção de torres de alta tensão Method for designing sensor architectures for obstacle detection in unmanned aerial vehicles dedicated to high voltage tower inspection Berger, Guido Szekir Wehrmeister, Marco Aurélio https://orcid.org/0000-0002-1415-5527 http://lattes.cnpq.br/5548205054206839 Barroqueiro, Carlos Henriques http://lattes.cnpq.br/6098762845774771 Todt, Eduardo http://lattes.cnpq.br/9942240121225139 Fabro, João Alberto http://lattes.cnpq.br/6841185662777161 Wehrmeister, Marco Aurélio https://orcid.org/0000-0002-1415-5527 http://lattes.cnpq.br/5548205054206839 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 CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA Engenharia Elétrica 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. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) 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. 2020-04-08T22:02:23Z 2020-04-08T22:02:23Z 2020-02-17 masterThesis 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. http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/4835 por openAccess application/pdf Universidade Tecnológica Federal do Paraná Curitiba Brasil Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial UTFPR
institution	Universidade Tecnológica Federal do Paraná
collection	RIUT
language	Português
topic	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 CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA Engenharia Elétrica
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description	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.
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