Projeto - Grupo de Controle Automação e Robótica

Identificação
Título: Desenvolvimento de um Robô para Inspeção de Linhas de Transmissão
Página na internet: http://www.eletro.ufrgs.br/~fetter/plir
Duração: 12 meses
Ano de Início: 2004
Categoria de Pesquisa: Pesquisa Aplicada
Tema de Pesquisa: Supervisão, controle e proteção de
sistemas elétricos
Palavras-Chave
Inspeção de linhas de transmissão
Inspeção robotizada
Manutenção
Distribuição de energia elétrica
Transmissão de energia elétrica
Custo Total:R$ 247.480,00
Áreas
Áreas de Conhecimento
Eletrônica Industrial, Sistemas e Controles Eletrônicos
Descrição
Objetivos (Descrição dos objetivos mensuráveis do projeto)
1) Identificar os principais problemas tecnológicos para a implementação de um sistema de inspeção automatizada de
cabos e isoladores de linhas de transmissão através de um robô móvel autônomo dotado de visão computacional. O
sistema deverá ser capaz de locomover-se sobre a linha de transmissão, detectando e localizando problemas em cabos
e isoladores. O sistema deverá gerar um relatório dos problemas detectados com sua localização e um vídeo da
inspeção, para permitir a supervisão (e validação da operação) do sistema por um operador humano.
2) Desenvolver soluções para os problemas identificados em (1), com especial ênfase a técnicas que sejam adequadas
aos tipos de linhas da CEEE. Objetiva-se desenvolver soluções para três problemas em particular: a) o problema de
locomoção do robô sobre a linha de transmissão e b) o problema inspeção dos cabos e c) o problema de inspeção dos
isoladores.
3) Construir um protótipo de robô de serviço para inspeção de linhas de transmissão e Implementar as soluções mais
promissoras desenvolvidas em (2).
4) Avaliar o desempenho do protótipo em condições realistas.
Justificativa(Indicação do motivador e da originalidade do proposto)
Este projeto propõe o desenvolvimento de um sistema automatizado para inspeção de linhas de transmissão baseado
em um robô de serviço autônomo dotado de visão computacional. O sistema a ser desenvolvido consiste em um
dispositivo robótico capaz de mover-se sobre a linha de transmissão e detectar problemas nos cabos e isoladores. Para
detecção de problemas nos cabos e isoladores serão utilizadas imagens coloridas no espectro visível e imagens
infravermelho.
Os métodos atuais de inspeção de linhas de transmissão envolvem operações tediosas e de alto custo. A utilização de
operadores humanos inspecionando visualmente grandes extensões de cabos e um elevado número de isoladores
torna-se um grande problema. Devido ao fato das cenas de cabos e isoladores serem extremamente repetitivas, a
torna-se um grande problema. Devido ao fato das cenas de cabos e isoladores serem extremamente repetitivas, a
tarefa de inspeção é muito monótona, o que favorece a desatenção e consequentemente falhas no processo de
inspeção. Adicionalmente, a visualização dos cabos e isoladores por determinados ângulos (de cima, por exemplo)
requer operações dispendiosas com o uso de aeronaves. Ainda assim, tem-se a inconveniência de em determinados
momentos poder-se visualizar apenas uma vista dos dispositivos (de baixo, por exemplo) e em outros momentos
visualizar-se apenas outra vista (de cima, por exemplo). Obviamente, para determinados diagnósticos seria conveniente
poder visualizar-se ao mesmo tempo diversas vistas do dispositivo sob inspeção. Ainda que recurosos como filmagens
manuais possam ser utilizados para prover-se diversas vistas simultâneas, é dífícil obter-se a sincronização espacial e
temporal das diversas vistas.
A utilização de um sistema robotizado para inspeção possiblita a obtenção de diversas vistas dos cabos e isoladores
sincronizadas no espaço (ou seja, diversas vistas do mesmo ponto do cabo ou isolador) e no tempo (todas as vistas
obtidas no mesmo instante). Com isto, todas as vistas refletem a mesma situação de operação do cabo ou isolador. Um
benefício adicional é a possibilidade de georeferenciar as imagens no instante de captura das mesmas através da
utilização de um receptor de GPS embarcado no robô, por exemplo. Com isto, pode-se consultar os bancos de dados
com informações sobre as linhas de transmissão e ter acesso a dados de projeto da linha e especificações de
materiais. Estas informações poderiam ser utilizadas tanto para desenvolver-se métodos sofisticados de diagnóstico de
problemas quanto para desencadear de forma automática ações de manutenção, se for o caso. Outra possibilidade
seria a geração de relatórios de problemas já com a lista de equipamentos e materiais necessários para os reparos.
Além de enfocar o problema de obtenção de vistas adequadas para inspeção, como descrito acima, este projeto
também abordará o desenvolvimento de métodos para automação da detecção de problemas nos cabos e isoladores
através de técnicas de visão computacional aplicadas em imagens visíveis e de infravermelho. Assim, pretende-se
minimizar os problemas não detectados na inspeção devido a fadiga de inspetores humanos causada pela tarefa
monótona.
Robôs para inspeção são utilizados já há algum tempo em depósitos de material radioativo e e para limpeza e inspeção
de dutos. Versões mais sofisticadas de robôs de inspeção são os utilizados para exploração espacial ou os aviões não
tripulados utilizados pelas forças armadas americanas. No entanto, tipicamente estes robôs são telecontrolados,
enquanto neste projeto propõe-se desenvolver um robô capaz de operar de forma autônoma.
No escopo de linhas de transmissão, robôs de inspeção tem sido utilizados em linhas subterrâneas. A cidade de Nova
Iorque recentemente colocou em operação um robô destes. Em termos de técnicas para inspeção dos cabos e
isoladores, serão utilizadas neste projeto metodologias semelhantes às utilizadas nestes desenvolvimentos anteriores.
Por outro lado, esta proposta diferencia-se por propor o desenvolvimento de um robô para inspeção de linhas aéreas.
Esta particularidade implica a utilização de mecanismos de locomoção adequados para possibilitar o movimento do robô
sobre a linha e ao mesmo tempo evitar que o robô caia ao chão. Uma parte significativa deste projeto consiste em
desenvolver estratégias de locomoção que possibilitem a passagem de um lance da linha para outro, ou seja, a
passagem pelas torres, sem que o robô perca o equilíbrio.
Bibliografia (Sumário da Revisão bibliográfica)
[1] Nakanishi, J., Fukuda, T. & Koditschek, D. E., A Brachiating Robot Controller, IEEE TRANSACTIONS ON
ROBOTICS AND AUTOMATION, 16(2):109-123, APRIL 2000
[2] Hasegawa, Y., Fukuda, T. and Shimojima, K., Self-Scaling Reinforcement Learning for Fuzzy Logic Controller
Applications to Motion Control of Two-Link Brachiation Robot, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL
ELECTRONICS, 46(6):1123-1131, DECEMBER 1999
[3] Saito, F., Fukuda, T. and Arai, F., Swing and Locomotion Control for a Two-link Brachiation Robot, IEEE
CONTROL SYSTEMS MAGAZINE, FEBRUARY 1994
[4] Romano, V., Robótica Industrial: Aplicação na Indústria de Manufatura e de Processos, Edgard-Blücher, 2002.
[5] Schraft, R. D., Mechatronics and Robotics for Service Applications, IEEE Robotics and Automation Magazine, 1(4),
1994.
[6] Kühne, F., Claro, C. A. H., Suess, S. R., Lages, W. F. Estimação e Controle de Posição de um Robô Móvel Utilizando
Filtro de Kalman Descentralizado In: XV Congresso Brasileiro de Automática, 2004, Gramado. Anais do XV Congresso
Brasileiro de Automática . Gramado: , 2004.
[7] Oliveira, V. M., Lages, W. F. Mobile Robot Control over the Internet with Delay Compensation In: 11th IFAC
Symposium on Information Control Problems in Manufacturing, 2004, Salvador. Proceedings of the 11th IFAC
Symposium on Information Control Problems in Manufacturing. Elsevier, 2004.
[8] Ottoni, G. L., Lages, W. F. Navegação de Robôs Móveis em Ambientes Desconhecidos Utilizando Sonares de
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2002.
[9] Sandi Lora, F. A.., Hemerly, E. M., Lages, W. F. Sistema para Navegação e Guiagem de Robôs Móveis Autônomos.
Sba: Controle & Automação Sociedade Brasileira de Automatica. SÃO PAULO - SP: , v.9, n.3, p.107 - 118, 1998.
[10] Rodrigo da Silva Guerra. Calibração Automática de Sistemas de Visão Estéreo a partir de Movimentos
Desconhecidos. 2004. Dissertação (Engenharia Elétrica) - Universidade Federal do Rio Grande do Sul
[11] Luciano Faria dos Reis. Inspeção Visual: Detecção de Bordas . 2003. Monografia (Curso de Especialização em
Automação Industrial) - Universidade Federal do Rio Grande do Sul
Metodologia
Como já comentado na seção Objetivos, este projeto abordará três problemas: 1) a locomoção do robô sobre a linha de
transmissão; b) a inspeção dos cabos e c) a inspeção dos isoladores. Para cada um destes problemas serão
desenvolvidas soluções que serão integradas para a contrução de um protótipo funcional.
Para a locomoção do robô serão estudados dois métodos: a) tração e b) braquiação. O método de tração direta sobre
o cabo consiste na utilização de polias que tracionam o robô através de atrito com o cabo. É um método relativamente
tradicional de tração de veículos sobre cabos devido à simplicidade e parece ser o mais adequado quando o cabo está
livre de obstáculos, como entre as torres da linha de transmissão. No entanto, a passagem por pontos onde o cabo
possui obstáculos, como nas torres de transmissão torna-se problemática, pois a passagem da polia é bloqueada. Para
contornar esta dificuldade será utilizada locomoção através de braquiação. Braquiação é a movimentação através de
braços, como macacos pendurados. Através de braquiação pode-se facilmente transpor obstáculos no cabo.
Como o robô será alimentado por baterias, a eficiência energética do modo de locomoção utilizado é uma consideração
importante de projeto. A eficiência energética de ambos os tipos de locomoção será avaliada, juntamente com demais
considerações como estabilidade do movimento e facilidade de implementação para determinar o tipo de locomoção a
ser utilizado. Serão avaliadas as possibilidades de locomoção por tração apenas, braquiação apenas e tração e
braquiação combinadas.
O controle da locomoção do robô e o adequado georeferenciamento dos problemas detectados nos cabos e isoladores
depende da capacidade de auto-localização do robô. Para tanto, o robô será dotado de um receptor de GPS, sensores
de deslocamento com encoders incrementais, acelerômetros, girômetros e inclinômetros. A princípio, a localização
fornecida pelo GPS seria suficiente para localização dos problemas na linha de transmissão. No entanto, tanto a
precisão da medida quanto taxas de amostragem típicas de receptores GPS são muito baixas para o controle do
movimento do robô, em especial quando utilizando braquiação. As medidas de posição e orientação fornecidas pelos
outros sensores (encoders, acelerômetros, girômetros e inclinômetros) possuem precisão e taxas de amostragem
adequadas para controle do robô. Porém, estes sensores são do tipo incremental ou inercial, e portanto sujeitos a drift.
Consequentemente, o erro exibido por estes senores, inicialmente muito baixo, cresce indefinidademente com o tempo.
Os erros do GPS, por outro lado, não acumulam-se com o tempo. Assim, neste projeto serão utilizadas técnicas de
fusão de dados para obter estimativas da localização do robô com taxas de amostragem semelhantes as dos sensores
inerciais mas com erros limitados como as medidas obtidas com GPS . Adicionalmente, para incrementar a precisão das
medidas por GPS será utilizada a técnica de GPS diferencial.
A inspeção dos cabos e isoladores será realizada através de visão computacional nos espectros visível e infravermelho.
Para tanto serão adquiridas imagens de diversas vistas dos dispositivos sob inspeção através da movimentação das
camerâs e/ou de jogos de espelhos e lentes. Assim, para cada vista serão gerados 4 planos de imagens,
correpondentes aos comprimentos de onda visíveis RGB (vermelho, verde e azul) e a faixa de IR (infravermelho). O
processamento dos planos RGB, correspondente à luz visível, será utilizado para identificação de problemas que podem
ser detectados através de alterações morfológicas nos dispositivos visíveis a olho nú. O plano IR, por representar uma
imagem térmica do dispositivo, será utilizado para detecção de problemas funcionais nos dispositivos que não tenham
se traduzido em alterações morfológicas.
Para identificação e classificação dos problemas nos cabos e isoladores serão utilizadas imagens de referência obtidas
em condições normais de operação da linha de transmissão. As técnicas de classificação a serem estudadas serão
baseadas no cálculo de coeficientes de correlação entre as imagens obtidas da linha sob teste e as imagens de
referência no banco de dados. e na utilização de redes neurais.
Os resultados do projeto serão transferidos para a equipe designda pela CEEE através de relatórios técnicos,
seminários de transferência tecnológica e demostrações de protótipos.
Pesquisas Correlatas
A equipe encarregada deste projeto possui grande experiência em robótica e visão computacional, em especial no
desenvolvimento de protótipos de robôs. Entre os trabalhos já desenvolvidos destacam-se:
1) Calibração automática de sistemas de visão estéreo a partir de movimentos deconhecidos
2) Telepresença através da Internet com Realimentação de Visão e Força
3) Controle de robôs móveis, utilizando diversas estratégias, por exemplo, controle linearizante, controle não linear,
controle adaptativo, controle por estrutura variável, controle com redes neurais, controle com lógica nebulosa, controle
preditivo
4) Estimação de posição e orientação de robôs móveis utilizando fusão de dados através do filtro de Kalma nas versões
centralizado e descentralizado
5) Localização e Navegação de robôs móveis em ambientes de desconhecidos utilizando encoders, bussola digital,
visão computacional e sonares de ultra-som
6) Desenvolvimento dos robôs móvel ITA-IEEE e Twil
7) Retrofitting dos controladores do robô industrial ASEA IRB-6 e do manipulador antropomórfico Janus
8) Controle de robôs através da Internet com compensação de atrasos
9) Arquitetura para controle distribuído de manipuladores robóticos
A literatura sobre o impacto industrial da robotização dos meios de produção é extensa. Esta vasta literatura apresenta
pelo menos um ponto de consenso: a eficiência dos sistemas robotizados e a crescente competitividade industrial
sugerem o desenvolvimento de linhas de produção automatizadas, com vários manipuladores efetuando tarefas
complexas e atuando em conjunto. Embora os robôs industriais estejam em uso há aproximadamente 30 anos, a área
de robôs de serviço apenas agora está emergido como um futuro campo de aplicação. As de aplicações de robôs de
serviço incluem: entrega de correspondência, aspiração de pó, lavagem externa de aviões, assistência a pessoas com
deficiências, aragem de terra para plantio etc. De certa forma, os robôs industriais evoluiram para os robôs de serviço,
que por sua vez evoluirão para os robôs pessoais. Ter-se-ia desta forma, com os robôs uma evolução similar a que
ocorreu com os computadores. Parece razoável supor que a disseminação dos robôs pessoais terá um impacto maior
do que a disseminação dos computadores pessoais.
Aplicações de robôs de serviço no setor elétrico incluem a inspeção de pás de turbinas geradoras, inspeção de dutos e
linhas de transmissão, troca de esferas de balizamento aéreo em linhas de transmissão, etc. Robôs para inspeção de
turbinas estão em desenvolvimento através de projetos da UFES e da COPPE/UFRJ financiados pelos fundos setoriais
tanto do setor elétrico quanto do setor de petróleo. Robôs para inspeção e limpeza de dutos são utilizados
frequentemente por empresas do setor petroquímico. A prefeitura de Nova Iorque colocou em operação recentemente
um sistema robotizado para inspeção de linhas de transmissão subterrâneas. O Laboratório de Robótica, Simulação e
Soldagem (LRSS) do Departamento de Engenharia Mecânica da UFMG em parceria com a CEMIG desenvolveu um
robô para troca de esferas de balizamento aéreo em linhas de transmissão com locomoção por tração no cabo.
Os pesquisadores que estão propondo este projeto possuem um longo histórico de cooperação com pesquisadores do
LRSS da UFMG, através da rede de pesquisa MANET (Manufacturing Automation Network). Atualmente se está
desenvolvendo em conjunto a tecnologia para retrofitting de robôs industriais através do reprojeto da eletrônica de
controle dos mesmos.
Assim, tem-se pleno acesso à tecnologia desenvolvida para o robô de troca de esferas de balizamento. Em especial,
pretende-se utilizar a mesma metodologia para locomoção do robô no modo de tração e adapta-la para o robô de
inspeção de cabos e isoladores. Já a locomoção no modo de braquiação será baseada no trabalho desenvolvido pelo
prof. Fukuda da Universidade de Nagoya, que desenvolveu diversas estratégias de controle para robôs que
assemelham-se a macacos.
A estimação da localização do robô através da fusão de dados de diversos sensores será baseda em métodos já
desenvolvidos em projetos anteriores abordando robôs móveis com rodas, que vem sendo desenvolvidos pela equipe
do projeto desde 1993.
Riscos
Fatores
(Descrição dos fatores que podem causar atrasos ou impedir a implementação do projeto como proposto
originalmente)
Técnico: A não disponibilização, por parte da concessionária, dos dados e informações necessários para a execução do
projeto.
Financeiro: A não disponibilização, por parte da concessionária, dos recursos financeiros apra a aquisição de
equipamentos e para a remuneração da equipe envolvida no projeto.
Atraso do cronograma: Inerente aos fatores de risco técnico e financeiro, como exposto acima e devido à burocracia
das instiruições envolvidas no projeto.
Classificação
Tipo de Risco
Técnico
Financeiro
Atrasos no Cronograma
Probabilidade
Baixo
Baixo
Médio
Resultados
Produção (Descrição dos produtos esperados do projeto)
Metodologia ou técnica
Protótipo
- Especificação Complementar
Neste projeto serão desenvolvidas metodologias para efetuar a inspeção automatizada de cabos e isoladores de
linhas de transmissão através de um sistema robotizado com capacidade de locomoção autônoma e aquisição de
imagens.
Capacitação (Capacitação dos profissionais da equipe do projeto)
Quantidade
Títulos de mestrado
2
Títulos de doutorado
1
- Especificação Complementar
Com este projeto espera-se o desenvolvimento de pelo menos uma tese de doutorado, duas
dissertações de mestrado e diversos trabalhos de conclusão de curso e/ou iniciação científica.
Adicionalmente, a equipe envolvida desenvolverá experiência nas áreas de instrumentação,
microprocessadores, robótica, mecatrônica e progrmação. Estes conhecimentos poderão ser
explorados em furturos projetos e artigos para congressos e periódicos técnicos.
Instituições (Capacitação das instituicões participantes)
Reconhecimento como centro de excelência
Participação em conferências, seminários e congressos
Demanda por serviços de consultoria
Artigos em revistas e anais
- Especificação Complementar
Os benefícios previstos incluem a prublicação de artigos em conresso e periódicos com a consequente divuldação
dos nomes da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, da Escola de Engenharia, do Departamento de
Engenharia Elétrica e da Companhia Estadual de Energia Elétrica, além da demanda por outros serviços de
consultoria.
O projeto propiciará uma estreita colaboração entre o Departamento de Engenharia Elétrica e a CEEE. Certamente
esta parceria terá um impacto positivo na formação dos alunos do Departamento de Engenharia Elétrica.
Através da participação em congressos e publicação de artigos em periódicos nacionais, prevê-se a interação dos
pesquisadores do Departamento de Engenharia Elétrica e de funcionários da CEEE com pesquisadores de outras
universidades brasileiras trabalhando em áreas correlatas.
Concessionária (Capacitação para a concessionária)