Projeto de Iniciao Cientfica

Projeto de Iniciao Cientfica

Escola Politcnica da Universidade de So PauloDepartamento de Engenharia de Estrutura e GeotcnicaLaboratrio de Estruturas e Materiais Estruturais LEM

Projeto de Iniciao Cientfica

Aplicao de Sistemas de Empuxo Controlado para melhora da estabilidade do Veculo Areo no-tripulado.

Jesus E. C. ILaquitaOrientador: Prof. Dr. Tlio Nogueira Bittencourt

So PauloMaio de 2015

ndiceRESUMO31.Introduo42.Justificativas83.Objetivos94.Cronograma e Plano de Atividades105.Materiais e Mtodos116.Consideraes Finais127.Bibliografia13

RESUMO

Para garantir a segurana das estruturas feitas de concreto necessrio investigar e analisar a sua condio com o maior numero de detalhes possveis. Nesse sentido, temos hoje em dia os mtodos no-destrutivos de avaliao, entre os quais se inclue a inspeo visual. Este mtodo por inspeo usado largamente na atualidade para analisar estruturas como pontes e edificios. Em alguns casos podem surgir complicaes durante o estudo da estrutura, por ex: muitas vezes dificil acessar a determinado ponto da obra para uma melhor anlise da estrutura do concreto no local. Uma possivel soluo para tal problema o uso de drone ou veculos areos no-tripulados, os quais tero a funo de coletar imagens da obra, que ajudaro os engenheiros na anlise da estrutura de concreto.Este trabalho de iniciao cientfica tem como foco contribuir no estudo do uso de veculos areos no tripulados (VANT) para a anlise de estruturas de concreto. Se estudar a aerodinmica do drone, de forma a melhorar o uso deste. Alm disso, sero utilizados softwares do grupo de pesquisa para a anlise das fotos obtidas pelo drone, objetivando obter uma melhora no processamento de imagens para uso posterior.

Palavras-Chave: veculo areo no-tripulado, drone, agrupamento de imagens.

Introduo

Veculos areos no tripulados (VANT) ou sistemas de vo no tripulado tem ganhado muita ateno nos ultimos anos. Estes so definidos como sistemas, cujos componentes incluem o veculo areo e equipamento associado que no levam consigo um operador humano, mas que voam de forma autnoma ou que so minimamente pilotados. Os VANTs devem ser considerados num contexto que incluem sistemas de comando controle e comunicao, e se necessario, interveno humana para controlar o sistema de vo.Tanto modelos amadores como modelos militares esto mostrando um maior conjunto de atividades. No que se refere a modelos amadores, muitas reas da cincia utilizam estes veculos para resolverem seus problemas tcnicos. Estes ramos da cincia compreendem a arqueologia, arquitetura, mapeamento local, modelagem de cidades em 3D, agricultura e florestas, superviso do trafego, estudo de estruturas na engenharia, etc.

Na parte de aplicaes em engenharia, meios convencionais para monitorar a condio de estruturas consistem em inspeo visual feito pelo homem. Esta forma de monitoramento fornece principalmente informaes sobre rachaduras e possivel destacamento de camadas que cobrem o concreto. Grandes esforos podem ser requeridos ao se tentar analisar estruturas complexas como pontes. Uma forma de reduzir estes esforos por meio do uso de veculos areos no-tripulados (VANT).O VANT utilizado o octocopter da Associaao Fraunhofer IZFP, que esta equipado com varios sensores como giroscopios, acelermetros e sensores de altitude baromtricos, os quais so usados por um sistema de controle areo controlado por microprocessador para estabilizao da atitude (angulo de precessao) do aparelho. A figura 3 mostra o octocopter e alguns dados tcnicos.

A primeira inspeo feita com este octocopter ocorreu no edificio do Instituto Fraunhofer IZFP em Saarbrucken/Alemanha (Fig 4. A inspeo total levou menos de 8horas). Os resultados da inspeo, na forma de imagens de cada fachada combinados num modelo 3D, podem ser vizualisados na Fig. 5.

Para controlar e monitorar o vo, toda a informao relevante enviada diretamente ao piloto assim como a uma estao terrestre, na qual todo o trajeto de vo planejado pode ser visto. Adicionalmente, um video de tempo real do veiculo areo esta disponivel.-INSPEO DE ESTRUTURASO mtodo de inspeo usando um veculo areo no-tripulado geralmente dividido em dois processos: o primeiro consistindo na adquisio de dados e o outro, no pos processamento digital. -Adquisio de dados: No primeiro processo, o veculo controlado para voar e tirar fotos da estrutura estudada. A informao coletada armazenada para cada ponto da estrutura que investigado. Estas imagens sao armazenadas para uso posterior. Para a obteno de imagens mais compatveis com a estrutura, temos duas opes de vo: uma horizontal e a outra vertical.-Processamento de imagens: O processamento digital consiste no agrupamento de fotos para a montagem 2D, a qual ser usada para uma posterior montagem 3D usando-se o CAD. Para a montagem 2D existem diversos softwares como aqueles usados em fotografia panormica e mapeamento terrestre. Porm, alguns problemas foram encontrados durante este processo, principalmente na parte de transio entre imagens, devido a um erro de reconhecimento da geometria da imagem.

-MONITORAMENTO E INSPEO VISUAL.Para o prdio mostrado na figura 7 foram tiradas mais de 12000 fotos. Para a anlise de pontos especficos, fotos de alta resolucao podem ser vinculadas a estes pontos. A obteno de fotos de alta resoluo tambem possivel com ajuda do drone.

-ESTABILIZAO DO DRONEApesar da cmera do veculo esta equipada com um sistema giroscopico, uma variao de atitude (angulo de precessao) ainda afeta as imagens obtidas. Qualquer translao nos eixos x,y e z do veculo vai requerer uma variao na atitude, o que resultado do fato de estes movimentos serem controlados por uma diferena da velocidade angular dos motores.E como o drone tem deslocamento nos eixos x,y e z, prope-se, dessa forma, o uso de um sistema de empuxo vetorial ou empuxo controlado para reduzir as mudanas de atitude no deslocamento do veculo. O empuxo controlado fornece um maior controle e estabilidade do veculo areo.

Justificativas

O uso de drone ou VANT de grande utilidade durante a anlise das condies de obras civis. No entanto, esta ferramenta ainda apresenta alguns problemas nos processos de obteno de imagens.Quando uma estrutura monitorada por meio de fotografias, uma grande base de imagens obtida. Muitas destas imagens podem parecer arbitrarias ou tortas, o que resulta da mudana de atitude do veiculo. Conseguir que estas imagens fiquem alinhadas pode se tornar um processo bem laborioso e pode no levar a um resultado satisfatrio.No entanto, existe uma opo, que consiste em aumentar a frequncia em que as fotos so tiradas. Porm, com esta opo a capacidade de armazenamento de imagens rapidamente alcanada. Uma outra alternativa estabilizar o vo com o uso de um sistema de empuxo controlado.Essa melhora pode ser observada nas fotos tiradas quando se usa o empuxo controlado. Percebe-se que as imagens obtidas ficam mais alinhadas e com uma melhor resoluo. O sistema de empuxo controlado pode ser usado tambm em octocopteros.

Objetivos

O objetivo geral deste projeto melhorar a eficincia do uso do drone para a obteno de imagens usadas na inspeo digital de estruturas. Para isso ser estudada a alternativa de melhorar a estabilidade do drone, para que se possa obter imagens com uma melhor resoluo;Como objetivos especficos, destacam-se: Estudar a aerodinmica do VANT. Estudar e aplicar o sistema de empuxo controlado para melhorar a estabilidade do drone. Aproveitar a estabilidade melhorada do drone para obteno de imagens com uma geometria e resoluo melhorada. Comparar os resultados obtidos com aqueles disponveis na literatura;

Cronograma e Plano de Atividades

O projeto ser divido em etapas, conforme Tabela 1.A primeira e a segunda etapa consistem na reviso bibliogrfica sobre aerodinamica de um drone e sistemas aplicados de empuxo controladoDurante a terceira etapa ser realizado o estudo de aplicao do sistema de empuxo controlado no octocopter.A quarta etapa ser a modelagem do sistema de empuxo controlado no drone e a anlise de imagens obtidas com este novo prototipo.A quinta etapa estar reservada para a produo dos relatrios.Tabela 1 - CronogramaMsEtapa123456789101112

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Materiais e Mtodos

O projeto se desenvolver no Laboratrio de Estruturas e Materiais Estruturais (LEM) da EPUSP sob orientao do prof. Dr. Tlio Nogueira Bittencourt.Possiveis programas computacionais que forem usados estao a disposio no laboratorio. Vale ressaltar tambem o amadurecimento intelectual a ser proporcionado ao aluno no campo da pesquisa, pois trabalha junto a pesquisadores de outros nveis como pos-graduacao, os quais ja possuem bastante experincia na rea de pesquisa. O aluno tambem se beneficiar da aplicao de conhecimentos tericos, obtidos em sala de aula e fora dela, em processos prticos.

Consideraes Finais

Este projeto de Iniciao Cientfica ir colaborar com os trabalhos que j vem sendo realizados pelo grupo de pesquisa coordenado pelo Prof. Tlio N. Bittencourt LEM e ser desenvolvido em paralelo ao projeto "Sistema aereos no tripulados para monitoramento e inspecao remota de Edificaoes", auxiliando-o e valendo-se de seus resultados.

Bibliografia

C.ESCHMANN, C-M KUO, C-H. KUO e C. BOLLER. Unmanned aircraft systems for remote building inspection and monitoring.ARMIN GRUEN. From toys to tools, unmanned aerial vehicles.

SURAJ G. GUPTA, MANGESH M. GHONGE, DR. P. M. JAWANDHIYA. Review of unmanned aircraft systems (UAS), International Journal of Advanced Research in Computer Engineering and Technology (IJARCET).C.-H. KUO, C.-M. KUO, A. LEBER1 E C. BOLLER. Vector thrust multi-rotor copter and its application for building inspection

C.-H. KUO, C.-M. KUO E C. BOLLER. Adaptive Measures to Control Micro Aerial Vehicles for Enhanced Monitoring of Civil Infrastructure

M. STOPPEL & A. TAFFE & H.WIGGENHAUSER, J. H. KURZ & C. BOLLER. Automated multi-sensor systems in civil engineering for condition assessment of concrete structures

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