CONEM2024-0070
SISTEMA ARP DE BAIXO CUSTO PARA INSPEÇÃO AÉREA PARA
DETECÇÃO DE FALHAS EM INFRAESTRUTURAS
Rafael Ferrari Lobato Gomes, rafaflg95@gmail.com¹
Matheus Melo Medeiros, mathmedeiros25@gmail.com²
Dr. Douglas Bressan Riffel, dougbr@academico.ufs.br²
Dr. Alexandre Carlos Rodrigues Ramos, alexandre.ramos@academico.ufs.br²
1 Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Sergipe,
Av. Marechal Rondon, São Cristovão/SE
2 Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Sergipe, Av. Marechal Rondon, São Cristovão/SE
Resumo: O objetivo deste projeto é utilizar drones, ou Sistemas de Aeronaves Remotamente Pilotadas (Sistemas ARP),
para realizar inspeções em gasodutos e oleodutos, especificamente na detecção de vazamentos. Esta metodologia oferece
uma alternativa mais econômica e eficiente aos métodos de inspeção tradicionais, que muitas vezes são onerosos e
menos precisos. A ideia é equipar o drone F450 com uma câmera de luz visível, uma câmera térmica, um sensor de gás
e o controlador de bordo PixHawk. Esta combinação de tecnologias visa proporcionar uma análise ampla das condições
dos gasodutos e oleodutos, permitindo a identificação precisa de falhas e vazamentos. A união das imagens capturadas
pela câmera de luz visível e pela câmera térmica oferece uma visão mais detalhada e completa da situação. A câmera
de luz visível permite a inspeção de superfícies e a identificação de problemas visuais, enquanto a câmera térmica
detecta variações de temperatura que podem indicar vazamentos ou outros problemas. O sensor de gás complementa
essas ferramentas ao identificar a presença de gases que podem vazar dos dutos, fornecendo uma análise mais direta e
específica da existência de falhas. Essa fusão de dados facilita a tomada de decisões rápidas e assertivas, essencial para
a manutenção eficiente dessas infraestruturas críticas. Além disso, o uso do controlador PixHawk, que é programável,
possibilita a configuração de rotas automatizadas para o drone, eliminando a necessidade de intervenção humana
contínua durante o voo. Isso não só aumenta a eficiência das operações como também reduz o risco de erros humanos,
garantindo que o drone possa seguir uma trajetória pré-determinada de forma precisa e repetitiva. A proposta deste
trabalho de desenvolver um drone de baixo custo torna essa tecnologia acessível, contribuindo significativamente para
a redução de custos operacionais. Com essa abordagem, espera-se alcançar uma inspeção mais eficiente e precisa,
melhorando a segurança e a confiabilidade das operações em infraestruturas críticas, como gasodutos, oleodutos bem
como no setor elétrico.
Palavras-chave: manutenção, energia, óleo e gás, drone
1. INTRODUÇÃO
A indústria de petróleo e gás exige processos de inspeção meticulosos para garantir segurança, eficiência e proteção
ambiental. Os métodos tradicionais, muitas vezes dependentes de inspectores humanos, são dispendiosos, arriscados e,
por vezes, prejudiciais ao ambiente. Além disso, os inspetores humanos podem não detectar certas falhas a olho nu. Para
enfrentar estes desafios, os investigadores têm explorado a utilização de veículos aéreos não tripulados (UAV), ou drones,
equipados com sensores avançados e inteligência artificial (IA) para inspeção de dutos e deteção de fugas de gás. O estudo
realizado por Alharam et al. (2020) apresenta um sistema de drones baseado em IA para inspeção de dutos em tempo real
no Bahrein, em que o drone está equipado com uma câmera térmica para monitorar vazamentos e rachaduras nas
tubulações, principalmente em áreas remotas e perigosas. O sistema possui uma unidade de processamento integrada
baseada em IA para detecção de vazamentos, com um classificador de alta precisão para deteção de falhas em tempo real.
Este sistema promete reduzir os custos de inspeção e o tempo necessário para alertar vazamentos em dutos, com um
sistema de alerta em tempo real com atraso inferior a 100 ms. Gargiulo (2021) estudou a detecção de emissões de metano
usando drones e sensores laser, bem como a integração de novas tecnologias de inspeção baseadas em drones também é
discutida por Moonen e Sufian (2020) que destaca o potencial dos drones para incorporar várias técnicas de inspeção e
levantamento, como medição de espessura ultrassônica, imagens ópticas, de gases e mapeamento 3D, entre outras. O
Gomes, R. F. L., Medeiros M. M, Riffel, D. B., Ramos A. C. R
Sistema ARP de Baixo Custo para Inspeção Aérea para Detecção de Falhas em Infraestruturas
estudo realizado por Zhai et al. (2020) utilizou drones navegados de forma autônoma por sistema de piloto automático
conectado a nuvem para realização de vigilância e detecção de anomalias em campo. O sistema inclui algoritmos
avançados para processamento em tempo real ou quase em tempo real de dados de imagem, térmicos e de detecção de
gás. A plataforma integra drones físicos, dispositivos de detecção/imagem integrados, conectividade em nuvem e
arquiteturas de aprendizagem profunda, do inglês deep learning, para alcançar automação total de vigilância e diagnóstico
para campos de petróleo e gás.
O estudo de Nooralishahi e Maldague (2021) propõe um método para detecção de vazamentos de gás utilizando análise
óptica de fluxo, abordando o desafio da confiabilidade dos dados devido aos movimentos dos drones durante a inspeção.
O artigo avalia técnicas de estabilização e apresenta um sistema para aprimorar a detecção visual de vazamentos de gás,
testado em ambientes isolados, cenários reais e inspeções baseadas em drones.
A eficiência da inspeção aérea por um sistema ARP garante uma busca abrangente e uma detecção de falhas mais
apuradas. Nesse contexto, falhas estruturais internas ou externas ao duto provocam uma mudança de pressão e/ou
temperatura nos dutos de óleo e gás, que se sair da margem de segurança levará a acidentes graves. Portanto, o
monitoramento eficaz é de grande importância ao ponto de prever falhas onde a inspeção humana não consegue.
A termografia infravermelha tem se destacado como uma técnica promissora para a detecção precoce de defeitos em
dutos, oferecendo uma abordagem não invasiva e eficaz para a inspeção de integridade estrutural (Tian et al., 2014). Além
disso, as fissuras, se presentes, perturbarão o fluxo de corrente e assim gerarão alterações no perfil de temperatura na área
da fissura que será visualizada por meio da câmera térmica (Štarman, S., & Matz, V., 2010).
A integração de drones com câmeras térmicas e sensores de detecção de gás, combinada com IA e processamento
avançado de dados, apresenta um caminho promissor para melhorar os processos de inspeção na indústria de petróleo e
gás. Estas tecnologias não só melhoram a segurança e a eficiência, mas também contribuem para os esforços de proteção
ambiental, permitindo uma monitorização mais regular e precisa das emissões. Dessa forma, este artigo propõe a
construção de um drone de baixo custo a fim de monitorar possíveis vazamentos em gasoduto, oleoduto e torres de energia
baseadas em câmeras de diferentes espectros e sensor de gás.
2. MATERIAIS E METODOS
A proposta do projeto de um drone de baixo custo foi possível com a utilização do quadricóptero F-450 que conta
com o controlador programável PixHawk 2.4.8, motores brushless ready tosky 2212- 920 kv com um torque de 500g
cada, bateria de LiPo de 5200 mAh para alimentar o circuito e possuir maior autonomia em horas de voo. Os motores são
regulados por Controladores Eletrônico de Velocidade (ESC) de 40A para controlar a velocidade dos motores, conta com
um modulo GPS Ublox 7M, telecomandado por um controle de rádio fly-sky FS-I6 e receptor FS-Ia10B, conforme Erro!
Fonte de referência não encontrada..
Figura 1. a) Drone F450 e (b) Controladora PixHawk 2.4.8.
O princípio de funcionamento do drone é: o receptor presente no corpo do drone recebe as informações do controle
remoto via sinal de rádio, essas informações recebidas são passadas para a receptora de rádio, FS-Ia10B, que se conecta
a controladora de bordo PIXHAWK e partir dela é enviado um sinal PWM para cada um dos motores, sendo a variações
das velocidades reguladas pelos ESCs. O GNSS tem papel fundamental na dirigibilidade do drone, pois, auxilia sua
orientação no espaço por meio de configurações de voo seguro programados no software mission planner da empresa
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ardupilot. Nesse ambiente, criamos o firmware que será instalado no PixHawk, como também, é calibrado o compasso
do drone, bem como traçar rotas pré-programadas e planos de voo para o drone executar sua missão, conforme Figura 2.
Figura 2. Interface do Software Mission Planner.
O drone F450 possui diversas partes, e por se tratar de um drone de baixo custo programável são necessárias as realizações
de algumas calibrações de hardware, como por exemplo, a calibração dos ESCs dos motores, integração entre telemetria
e Mission Planner entre outros, integração que pode ser visualizada na Figura 3.
Figura 3. Teste de Comunicação
2.1 Câmera de luz visível RGB
A câmera utilizada neste projeto foi FPV Readytosky TVL1000 que possui a tecnologia CMOS (Complementary
Metal Oxide Semicondutor). Outros fatores que levaram a sua escolha foi o baixo consumo de energia e a velocidade de
obturação dos sensores oxido metálico tende a ser mais rápida em relação aos sensores de carga acoplada CCD. Algumas
especificações da câmera são 1/3” CMOS, abertura focal de F1.2, resolução de 1280x720.
TS5828L Micro 5.8G é o modulo transmissor por onde será enviado o sinal de vídeo e junto com o receptor EWRF
5.8G formam a rede de comunicação. A vantagem é que ambos possuem uma grande faixa de frequência e de canais que
podem ser selecionados e salvos pelo usuário, isto garante que sinais externos indesejáveis não interfiram na transmissão
ou que outro dispositivo não capture o vídeo, conforme Figura 4.
Gomes, R. F. L., Medeiros M. M, Riffel, D. B., Ramos A. C. R
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Figura 4. Câmera FPV TVL1000 com Receptor EWRF 5.8G e câmera térmica MLX90640
2.2 Sensor de gás
A escolha do sensor de gás baseou-se principalmente pela detecção de gás natural, e esse combustível é
frequentemente transportado por meio de dutos para abastecer a indústria e consumidores residenciais. Nesse contexto, o
sensor MQ2 foi usado por ser sensível a diversos gases combustíveis e ser de baixo custo.
Seu funcionamento ocorre devido a reação do óxido de estanho presente no sensor, que quando entra em contato com
um gás alvo, a sua condutividade aumenta, resultando em uma diminuição na resistência elétrica que pode ser
correlacionada com unidades de engenharia. Além disso, o MQ-2 possui um trimpot onde é possível fazer uma regulagem,
determinando a quantidade mínima de partículas do gás presente no ar para ser identificado.
2.3 Câmera térmica
A câmera térmica, baseada no chip MLX90640, é uma câmera que permite dois formatos de comunicação , UART ou
I2C, também possui uma matriz de 32x24 que resulta em 768 pixels, é de fácil integração com microcontroladores como
ESP32 ou RaspBerry Pi, possui uma faixa de operação de -40°C a 85°C e o modelo escolhido possui uma lente com
campo de visão de 55° por 35° para ter um foco de médio alcance.
Desta forma, este modulo é totalmente programável, permitindo assim um estudo mais detalhado da termografia de
forma que possa ser testado diferentes métodos matemáticos e computacionais.
2.4 Integração PixHawk e Controlador
Para integrar a eletrônica de aquisição de dados do drone com os sensores de gás e câmera térmica será utilizado um
microcontrolador do tipo ESP 32 embarcado. Para isso é necessário fornecer a alimentação de 3,3V e ligar os canais de
recepção e transmissão de dados no microcontrolador. Além disso, o sensor de gás MQ-2 utiliza a entrada analógica do
microcontrolador ESP32 e câmera térmica compartilha o barramento I2C, conforme pode ser observado na Fig. 5 e
montagem no drone na Fig. 6.
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Figura 5. Arquitetura ´de Comunicação PixHawk e ESP32
Figura 6. Sensores Embarcados no Drone F-450.
3. RESULTADOS
Os testes realizados com a câmera térmica de baixo custo, modelo MLX90640, foi realizado e seus dados aquisitados por
meio de um RaspBerry Pi3 conectado a um display de 4 polegadas, seus resultados foram comparados com uma câmera
térmica profissional da fabricante FLIR, modelo T420. Como o objetivo da pesquisa é identificar trincas ou fissuras em
dutos a partir de imagens no espectro infravermelho, foi realizado um ensaio de termografia ativa.
Por meio de uma fonte de calor, geradas por lâmpada halógena de 1000W, direcionada a uma placa de aço com trincas
internas, revestidas de tinta polimérica espessa, cada câmera gravou as imagens, conforme Figura 7. Na figura é notado
que as câmeras estão posicionadas a diferentes distancias do alvo, devido cada uma delas possuir sua própria distância
focal.
Gomes, R. F. L., Medeiros M. M, Riffel, D. B., Ramos A. C. R
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Figura 7. Ensaio de comparação das câmeras térmicas
Na Figura 8 é observado que ambas as câmeras apresentam temperatura próximas dos 38°C, porém a câmera térmica
FLIR T420, possui maior amostragem (30 FPS) e melhor resolução de imagem que a câmera MLX90640, Fig. 8 (b) pois
na primeira é possível a detecção das falhas induzidas na placa conforme setas indicativas na Fig. 8 (a). Assim, é
necessário a caracterização dos tamanhos mínimos de trincas que a câmera MLX90640 pode detectar. Outra técnica que
pode melhorar seu desempenho é a interpolação, método matemático que preenche os pixels ausentes ao redimensionar
uma imagem, garantindo uma aparência suave e preservando detalhes importantes. Esta técnica pode melhorar o
desempenho da MLX 90640 a procura de fissuras em dutos, mas é preciso analisar o tamanho mínimo da fissura para a
câmera conseguir detectar.
Um resultado importante foi a determinação da distância focal ideal da câmera de baixo custo e sua amostragem que
foi de 0,5 m e 1 quadro por segundo (1 FPS).
Figura 8. (a) Câmera Flir T420 (b) Câmera MLX90640
Os resultados apresentados ao requisito de montagem do drone foram bem-sucedidos. A câmera de luz visível,
Readtosky TVL1000, apresentou bom desempenho, permitindo ao controlador visualizar a imagem vista pelo drone
através do telefone celular ou tablet. O sensor de gás MQ-2 funciona perfeitamente, testes feito em laboratório
apresentaram bom funcionamento na detecção de gás de cozinha, conforme Fig. 9.
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Figura 9. Teste do sensor de gás
Constata-se no gráfico o resultado da leitura analógica do sensor representado no eixo y e o eixo x sendo o tempo ms. No
ensaio foi utilizado um isqueiro que possui o gás butano e os primeiros segundos de testes foram feitos com o isqueiro
afastado do sensor de gás e ao chegar a uma distância de 2 a 3 cm do mesmo, o sensor começou acusar a presença do gás
de forma mais relevante. No tempo de 468 ms, a 4 cm do gás, o sensor detecta um pico de concentração em 57 ppm e a
3 cm do sensor, tempo 640 ms o sensor se torna bem sensível, conforme pode ser observado na Fig. 10.
Figura 10. Concentração de gás butano em laboratório
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Na Figura 11 é possível observar um teste de voo pairado do drone, em laboratório, no qual o drone filma uma torre
de transmissão de energia em escala reduzida para verificação da qualidade da imagem. Na figura é possível observar a
torre de transmissão de energia, porém com a imagem apresentou baixa nitidez no imageamento.
Figura 11. Imagem em Voo de uma torre de transmissão de energia em escala reduzida
4. CONCLUSÃO
O projeto de pesquisa de iniciação cientifica observou que o sensor de gás butano, MQ-2, apresentou boa sensibilidade
ao gás a 3 cm da fonte de vazamento. O teste do sensor termal, MLX90640, apresentou resultados satisfatórios para
distancias menores que 50 cm do alvo a uma taxa lenta de amostragem de 1 FPS. A câmera no espectro visível, FPV
TVL1000, apresentou imagens de uma torre de transmissão de energia em escala e as transmitiu ao receptor com sucesso,
porém as imagens apresentaram borrões e cortes esporádicos de transmissão não sendo recomendada para análises
minuciosas de alta resolução. Desta forma, esse projeto concluiu que a utilização de módulos comerciais de baixo custo
pode ser viáveis para aplicações em drones em miniatura, onde a distância entre as hélices seja igual ou menor que a
distância de operação, neste projeto definida como de 3 cm a 50 cm de distância. Para aplicações a distancias maiores
que 50 cm, o sistema proposto não se mostrou vantajoso pelos motivos relatados no artigo.
5. REFERÊNCIAS
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Gargiulo, G. (2021). Detection of methane fugitive emissions using drones. The APPEA Journal.
https://doi.org/10.1071/aj20088.
Moonen, A., & Sufian, B. (2020). Introducing New Drone-Based Inspection Technologies to Safely and Consistently
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Zhai, X., Liu, K., Nash, W., & Castineira, D. (2020). Smart Autopilot Drone System for Surface Surveillance and
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Nooralishahi, P., López, F., & Maldague, X. (2021). A Drone-Enabled Approach for Gas Leak Detection Using Optical
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Sensors (Basel, Switzerland)
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Štarman, S., & Matz, V. (2010). “Automated System for Crack Detection Using Infrared Thermographic Testing” NDT.
Ballesteros, R. D., & Lordsleem Junior, A. C. (2021). Veículos Aéreos não Tripulados (VANT) para inspeção de
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Furquim, M. G. D., Nascimento, A. R., Costa, J. V. S., Ferreira, M. E., Corcioli, G., & Borges, L. C. (2023). Plataformas
aéreas remotamente pilotadas com câmera RGB para o mapeamento de viveiros comerciais de tomate de mesa.
Mercator, 22(e22001).
6. RESPONSABILIDADE AUTORAL
Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo deste trabalho.
LOW-COST ARP SYSTEM FOR AERIAL INSPECTION FOR FAULT
DETECTION IN INFRASTRUCTURES
Rafael Ferrari Lobato Gomes, rafaflg95@gmail.com¹
Matheus Melo Medeiros2, mathmedeiros25@gmail.com²
Dr. Douglas Bressan Riffel, dougbr@academico.ufs.br²
Dr. Alexandre Carlos Rodrigues Ramos, alexandre.ramos@academico.ufs.br ²
1 Department of Electrical Engineering, Federal University of Sergipe, Av. Marechal Rondon, São Cristovão/SE
2 Department of Mechanical Engineering, Federal University of Sergipe, Av. Marechal Rondon, São Cristovão/SE
Abstract: The objective of this project is to use drones, or Remotely Piloted Aircraft Systems (ARP Systems), to carry out
inspections on gas and oil pipelines, specifically to detect leaks. This methodology offers a more economical and efficient
alternative to traditional inspection methods, which are often costly and less accurate. The idea is to equip the F450
drone with a visible light camera, a thermal camera, a gas sensor and the PixHawk onboard controller. This combination
of technologies aims to provide a comprehensive analysis of the conditions of gas and oil pipelines, allowing the precise
identification of faults and leaks. The union of images captured by the visible light camera and the thermal camera offers
a more detailed and complete view of the situation. The visible light camera allows you to inspect surfaces and identify
visual problems, while the thermal camera detects temperature variations that could indicate leaks or other problems.
The gas sensor complements these tools by identifying the presence of gases that may leak from the ducts, providing a
more direct and specific analysis of the existence of faults. This data fusion facilitates quick and assertive decisionmaking, essential for the efficient maintenance of these critical infrastructures. Furthermore, the use of the PixHawk
controller, which is programmable, makes it possible to configure automated routes for the drone, eliminating the need
for continuous human intervention during the flight. This not only increases the efficiency of operations but also reduces
the risk of human error by ensuring that the drone can follow a pre-determined trajectory accurately and repeatably. The
proposal of this work to develop a low-cost drone makes this technology accessible, contributing significantly to the
reduction of operational costs. With this approach, it is expected to achieve a more efficient and accurate inspection,
improving the safety and reliability of operations in critical infrastructures, such as gas pipelines, oil pipelines as well
as in the electricity sector.
Keywords: Maintenace, energy, Oil and Gas, drone