A Estação Ecológica do Taim, localizada no extremo sul do Rio Grande do Sul, Brasil, é uma área reconhecida mundialmente por ser importante para conservação, abrigando ambientes sensíveis e diversas espécies ameaçadas. Sendo uma área grande, diversa, e impactada por diferentes usos, as atividades de gestão no Taim se tornaram complexas, indicando a necessidade de novas ferramentas de monitoramento. O estudo em questão visou analisar a aplicabilidade de diferentes modelos de veículos aéreos não tripulados, como subsídio à obtenção de dados espaciais para áreas de interesse de gestão da ESEC do Taim. As áreas prioritárias para o monitoramento foram delimitadas a partir de reuniões com gestores e pesquisadores, e através de referências bibliográficas. Foram delimitadas 8 áreas com interesses diversos para a gestão do Taim: focos de incêndio; atividades de caça e pesca; atropelamento de fauna; localização de espécies; recuperação natural; reconhecimento As principais características das plataformas analisadas foram a autonomia, raio de operação, e a compatibilidade com câmeras capazes de atender as necessidades das demandas identificadas, em termos de resolução espectral e espacial. Foi utilizado o software Mission Planner para a construção de testes de voo, e o ArcGis 10,3 para o cruzamento de informações espaciais necessárias para a definição dos equipamentos capazes de operar. Os modelos que se mostraram aplicáveis foram o Echar 20 C, o Batmap 2, e o Phantom 4. Foi construída uma relação das atribuições dos modelos propostos com as demandas por área, considerando questões de logística de campo, restrições legais, e custos. O Echar 20 C, e o Batmap 2 foram definidos para o mapeamento de áreas maiores, ou em áreas menores com necessidades de altíssima resolução espacial, e qualidade posicional sem a necessidade de pontos de controle em campo. Já o Phantom 4 Pro definido para as demandas onde o produto não ocorre em forma de fotografias aéreas, mas sim visualização em tempo real da superfície terrestre. Foi considerado então um subsídio importante na detecção de focos de incêndio e infratores, que pode auxiliar a brigada de incêndios atuante no controle de queimadas. O estudo em questão se mostrou eficiente na busca pela introdução de tecnologia de VANT ao processo de gestão da ESEC DO TAIM, que vem se desenvolvendo para atingir um patamar de excelência no armazenamento, e distribuição de dados espaciais para os diversos atores envolvidos no processo de manutenção dos recursos naturais importantes para o meio ambiente.

A mitigação de desastres naturais exige respostas rápidas e confiáveis. No Brasil, a estação de chuvas provoca muitos alagamentos em regiões urbanas e, para monitorar esse fenômeno, foi instalada em São Carlos-SP uma rede de sensores sem fio para acompanhar o nível de água dos rios da cidade. Entretanto, essa rede de sensores está suscetível a falhas que podem comprometer o funcionamento do sistema, e a adoção de mecanismos redundantes e de redes móveis 3G podem acarretar em custos proibitivos à monitoração desses rios, além de não garantirem a operação normal desse monitoramento. Assim, este trabalho apresenta uma solução baseada em veículo aéreo não tripulado (VANT) para reduzir os problemas oriundos das falhas em uma rede de sensores para detectar desastres naturais como enchentes e deslizamentos. Na solução proposta, o VANT pode ser transportado para o sítio do desastre para minimizar os problemas provenientes das falhas (por exemplo, para servir como um roteador ou até mesmo para servir como uma mula de dados e transmitir imagens em tempo real para equipes de resgate). Estudos foram conduzidos em um protótipo real, equipado com o UAV Brain (módulo computacional desenvolvido especificamente para este projeto), para uma análise exploratória do consumo energético do VANT e do rádio transmissor que equipa o VANT. Os resultados mostram que a melhor situação para o rádio comunicador se dá quando o VANT está no ar e com uma antena de maior ganho, e os fatores que mais influenciam no consumo energético do rádio são a altura do VANT e o tipo de antena utilizado. Além disso, tais resultados mostram também a viabilidade desta proposta em redes de sensores sem fio linear e esparsa. / The mitigation of natural disasters requires quick and reliable answers. In Brazil, the rainy season causes many flooding in urban areas and, to monitor this phenomenon, a wireless sensor network to monitor the water level of the citys rivers was installed in São Carlos-SP. However, this sensor network is susceptible to failures that may jeopardize the operation of the system, and the adoption of redundant mechanisms and 3G mobile networks may result in prohibitive costs to the monitoring of these rivers, and does not guarantee the normal operation of monitoring. This work presents an aerial vehicle-based solution unmanned (UAV) to reduce the problems originated from failures in a network of sensors to detect natural disasters such as floods and landslides. In the proposed solution, the UAV can be transported to the disaster site to minimize problems arising from failures (eg, to serve as a router or even to serve as a data mule and transmit images in real time for rescue teams). Studies were conducted in a real prototype, equipped with UAV Brain (computational module developed specifically for this project), for an exploratory analysis of the energy consumption UAV and radio transmitter fitted to the UAV. The results show that the best situation for the radio communicator is when the UAV is in the air and with a higher gain antenna, and the factors that most influence on the radio energy consumption are the height of the UAV and the type of antenna used. Furthermore, these results also show the feasibility of this proposal in linear and sparse wireless sensor networks.

Existe um número considerável de áreas utilizadas como pontos de descarte de resíduos de construção civil na cidade de Palmas – TO que extrapolam o alcance das ferramentas de controle e fiscalização do município, principalmente em pontos dentro do perímetro urbano. A presente pesquisa tem como objetivo principal verificar a aplicabilidade da utilização de imagens obtidas pelo veículo aéreo não tripulado (VANT), no auxílio da identificação dos resíduos e de pontos de descarte de resíduos de construção civil (RCC) em áreas irregulares da cidade. De posse do instrumento, foram tomadas como unidade amostral áreas de descarte preliminarmente mapeadas por meio de imagens de satélite com resoluções espaciais menos refinadas. Com metodologia que permitisse atestar a potencialidade dos produtos gerados em termos de fotointerpretação, precisões geométricas e geográficas, foram feitos sobrevoos com diferentes sobreposições de imageamento e com a utilização de pontos de controle coletados por meio de GPS de precisão. Os resultados encontrados mostram que as imagens aéreas obtidas e os ortomosaicos gerados podem auxiliar de forma confiável, rápida, segura e com melhores informações na identificação de pontos de lançamento de RCC, atestando que as plataformas VANTs e os sensores passíveis de serem acoplados à elas podem servir adequadamente como tecnologia para sensoriamento remoto, como ênfase no estudo proposto. / There are a considerable number of areas used as waste disposal points for construction in the city of Palmas - TO, which extrapolate the reach of the control and inspection tools of the municipality, especially in points within the urban perimeter. The present research has as main objective to verify the applicability of the use of images obtained by the unmanned aerial vehicle (UAV), in the aid of the identification of the residues and points of disposal of construction waste (RCC) in irregular areas of the city. Once the instrument was in possession, preliminary sampling areas were mapped using satellite images with less refined spatial resolution. With a methodology that allowed to attest to the potential of the products generated in terms of photointerpretation, geometric and geographic precisions, overflight with different overlays of imaging and with the use of control points collected through precision GPS were made. The results obtained show that the aerial images obtained and the generated ortomosaic can help in a reliable, fast, safe and with better information in the identification of points of launch of RCC, attesting that the platforms VANTs and the sensors that can be coupled to them can Adequately serve as a technology for remote sensing, as an emphasis on the proposed study.

Sistemas de Transportes Inteligentes (STIs) englobam um conjuntos de tecnologias (Sensoriamento Remoto, Tecnologia da Informação, Eletrônica, Sistemas de Comunicação de Dados entre outros) que visam oferecer serviços e gerenciamento de tráfego avançado para meios de transporte rodoviário, aéreo e outros. A obtenção de informações a respeito das características e das condições do pavimento das estradas constitui uma parte importante dentro do sensoriamento nesses STIs. Investigar novas técnicas, metodologias e meios de automatizar a obtenção dessas informações é parte deste trabalho. Uma vez que existem diferentes tipos de defeitos em vias pavimentadas, esta tese apresenta a proposta de uma metodologia que permite a obtenção, de forma automática, das condições dos pavimentos asfálticos. A obtenção dos dados foi realizada por meio do Sensoriamento Remoto com uso de Veículos Aéreos Não Tripulados. A utilização de técnicas de Aprendizado de Máquina na detecção automática possibilitou alcançar uma acurácia de 99% na detecção de pavimentos asfálticos flexíveis e 92% na identificação de defeitos em alguns experimentos. Como resultado obteve-se o diagnóstico automático, não só das condições da via, mas de diferentes tipos de defeitos presentes em pavimentos. / Intelligent Transport Systems (ITS) is a set of integrated technologies (Remote Sensing, Information Technology, Electronics, Data Communication Systems among others) that aims to provide services and advanced traffic management for road, air, rail and others transportation systems. Obtaining information about characteristics and road pavement conditions is an important part within the sensing these ITS. Investigating new techniques, methods and means to optimize and automate obtaining these information are part of this work, since there are different types of defects on paved roads. Thus, this thesis proposes a methodology that allows automatically obtain information about the condition of the pavement. Data collection was performed with remote sensing technology using Unmanned Aerial Vehicles. Automatic detection was possible through the use of Machine Learning techniques with 99% of accuracy in pavements and 92% in distress identification. As a result we obtained the self-diagnosis, not just the pavement, but different types of distress present in the pavement.

O advento dos veículos aéreos não tripulados (VANTs) representa uma quebra de paradigma no ramo aeronáutico. São revisados os conceitos de projeto envolvidos no desenvolvimento de VANTs e levantadas as suas potenciais aplicações. São também analisadas as características de sua operação e discutidas as questões regulatórias envolvidas na certificação e integração dos VANTs ao tráfego aéreo civil. Dentre as várias características singulares dos VANTs, enfatiza-se a sua necessidade de realizar vôos a grande altitude e com longa autonomia. Isso leva ao emprego de materiais mais leves e configurações com asas de grande alongamento, que provocam menor arrasto induzido. É feita uma revisão sobre materiais compósitos, que são materiais de uso crescente no ramo aeronáutico por sua leveza e resistência, e que por sua característica de anisotropia, são suscetíveis à otimização estrutural. Métodos e ferramentas de otimização estrutural de compósitos laminados ainda são pouco empregados, por suas características discretas e pelo grande número de parâmetros envolvidos. Um método eficiente e adequado à otimização de um problema desse tipo é o método dos algoritmos genéticos (AG). Assim foi desenvolvida uma sub-rotina de otimização baseada em algoritmos genéticos, usando a linguagem de programação Fortran. A sub-rotina desenvolvida trabalha em conjunto com um programa comercial de análise estrutural baseado no método dos elementos finitos, o Ansys. Foi também proposta uma configuração de asa de um VANT típico, de grande alongamento e fabricada com materiais compósitos reforçados com fibras (CRF). A asa proposta teve o número e a orientação das camadas do laminado otimizadas com o uso da sub-rotina desenvolvida, e resultados satisfatórios foram encontrados. Foram também analisados os efeitos da variação dos parâmetros dos operadores do AG, como probabilidades de mutação, cruzamento, tipo de escalonamento, entre outros, no desempenho do mesmo. Também foram feitas otimizações no mesmo modelo de asa proposto, empregando outros métodos disponíveis no próprio programa de análise estrutural. Os resultados das otimizações através desses métodos foram comparados com os resultados obtidos com a sub-rotina desenvolvida / The advent of the unmanned air vehicles (UAVs) represents a paradigm break in the aeronautical field. The project concepts involved in the development of UAVs are revised and its potential applications are rose. Also the issues related to UAVs operation are assessed and the regulatory questions involved in their certification and integration to the civil air space are argued. Amongst many singular characteristics of the UAV, its necessity of performing flights at high altitudes and with long endurance is emphasized. This leads to the employment of lighter materials and to configurations with high aspect ratio wings that cause minor induced drag. A revision on composite materials, which are of increasing use in the aeronautical field for their lightness and strength, and that are appropriate for being optimized due to their anisotropy characteristics, is made. Methods and tools of structural optimization of laminated composites are still seldom employed, due to their discrete nature and to the large number of parameters involved. An efficient and suitable method for the optimization of this kind of problem is the genetic algorithm (GA). Thus, an optimization sub-routine based on genetic algorithms was developed, using FORTRAN programming language. The developed sub-routine works in combination with Ansys, a structural analysis commercial program based on the finite elements method. A configuration of a typical UAV wing, made from composite reinforced plastics (CRP) was also proposed. The proposed wing had the number of plies and the orientations of its layers optimized using the developed sub-routine, and satisfactory results had been found. Also the effect of the variation of AG’s operator parameters in its performance, as mutation probabilities, crossover probabilities, fitness scaling, among others, have been assessed. The same wing model considered was also optimized using other build-in methods of the structural analysis program. The results of these optimizations have been compared with the results obtained with the developed sub-routine

A mitigação de desastres naturais exige respostas rápidas e confiáveis. No Brasil, a estação de chuvas provoca muitos alagamentos em regiões urbanas e, para monitorar esse fenômeno, foi instalada em São Carlos-SP uma rede de sensores sem fio para acompanhar o nível de água dos rios da cidade. Entretanto, essa rede de sensores está suscetível a falhas que podem comprometer o funcionamento do sistema, e a adoção de mecanismos redundantes e de redes móveis 3G podem acarretar em custos proibitivos à monitoração desses rios, além de não garantirem a operação normal desse monitoramento. Assim, este trabalho apresenta uma solução baseada em veículo aéreo não tripulado (VANT) para reduzir os problemas oriundos das falhas em uma rede de sensores para detectar desastres naturais como enchentes e deslizamentos. Na solução proposta, o VANT pode ser transportado para o sítio do desastre para minimizar os problemas provenientes das falhas (por exemplo, para servir como um roteador ou até mesmo para servir como uma mula de dados e transmitir imagens em tempo real para equipes de resgate). Estudos foram conduzidos em um protótipo real, equipado com o UAV Brain (módulo computacional desenvolvido especificamente para este projeto), para uma análise exploratória do consumo energético do VANT e do rádio transmissor que equipa o VANT. Os resultados mostram que a melhor situação para o rádio comunicador se dá quando o VANT está no ar e com uma antena de maior ganho, e os fatores que mais influenciam no consumo energético do rádio são a altura do VANT e o tipo de antena utilizado. Além disso, tais resultados mostram também a viabilidade desta proposta em redes de sensores sem fio linear e esparsa. / The mitigation of natural disasters requires quick and reliable answers. In Brazil, the rainy season causes many flooding in urban areas and, to monitor this phenomenon, a wireless sensor network to monitor the water level of the citys rivers was installed in São Carlos-SP. However, this sensor network is susceptible to failures that may jeopardize the operation of the system, and the adoption of redundant mechanisms and 3G mobile networks may result in prohibitive costs to the monitoring of these rivers, and does not guarantee the normal operation of monitoring. This work presents an aerial vehicle-based solution unmanned (UAV) to reduce the problems originated from failures in a network of sensors to detect natural disasters such as floods and landslides. In the proposed solution, the UAV can be transported to the disaster site to minimize problems arising from failures (eg, to serve as a router or even to serve as a data mule and transmit images in real time for rescue teams). Studies were conducted in a real prototype, equipped with UAV Brain (computational module developed specifically for this project), for an exploratory analysis of the energy consumption UAV and radio transmitter fitted to the UAV. The results show that the best situation for the radio communicator is when the UAV is in the air and with a higher gain antenna, and the factors that most influence on the radio energy consumption are the height of the UAV and the type of antenna used. Furthermore, these results also show the feasibility of this proposal in linear and sparse wireless sensor networks.

O advento dos veículos aéreos não tripulados (VANTs) representa uma quebra de paradigma no ramo aeronáutico. São revisados os conceitos de projeto envolvidos no desenvolvimento de VANTs e levantadas as suas potenciais aplicações. São também analisadas as características de sua operação e discutidas as questões regulatórias envolvidas na certificação e integração dos VANTs ao tráfego aéreo civil. Dentre as várias características singulares dos VANTs, enfatiza-se a sua necessidade de realizar vôos a grande altitude e com longa autonomia. Isso leva ao emprego de materiais mais leves e configurações com asas de grande alongamento, que provocam menor arrasto induzido. É feita uma revisão sobre materiais compósitos, que são materiais de uso crescente no ramo aeronáutico por sua leveza e resistência, e que por sua característica de anisotropia, são suscetíveis à otimização estrutural. Métodos e ferramentas de otimização estrutural de compósitos laminados ainda são pouco empregados, por suas características discretas e pelo grande número de parâmetros envolvidos. Um método eficiente e adequado à otimização de um problema desse tipo é o método dos algoritmos genéticos (AG). Assim foi desenvolvida uma sub-rotina de otimização baseada em algoritmos genéticos, usando a linguagem de programação Fortran. A sub-rotina desenvolvida trabalha em conjunto com um programa comercial de análise estrutural baseado no método dos elementos finitos, o Ansys. Foi também proposta uma configuração de asa de um VANT típico, de grande alongamento e fabricada com materiais compósitos reforçados com fibras (CRF). A asa proposta teve o número e a orientação das camadas do laminado otimizadas com o uso da sub-rotina desenvolvida, e resultados satisfatórios foram encontrados. Foram também analisados os efeitos da variação dos parâmetros dos operadores do AG, como probabilidades de mutação, cruzamento, tipo de escalonamento, entre outros, no desempenho do mesmo. Também foram feitas otimizações no mesmo modelo de asa proposto, empregando outros métodos disponíveis no próprio programa de análise estrutural. Os resultados das otimizações através desses métodos foram comparados com os resultados obtidos com a sub-rotina desenvolvida / The advent of the unmanned air vehicles (UAVs) represents a paradigm break in the aeronautical field. The project concepts involved in the development of UAVs are revised and its potential applications are rose. Also the issues related to UAVs operation are assessed and the regulatory questions involved in their certification and integration to the civil air space are argued. Amongst many singular characteristics of the UAV, its necessity of performing flights at high altitudes and with long endurance is emphasized. This leads to the employment of lighter materials and to configurations with high aspect ratio wings that cause minor induced drag. A revision on composite materials, which are of increasing use in the aeronautical field for their lightness and strength, and that are appropriate for being optimized due to their anisotropy characteristics, is made. Methods and tools of structural optimization of laminated composites are still seldom employed, due to their discrete nature and to the large number of parameters involved. An efficient and suitable method for the optimization of this kind of problem is the genetic algorithm (GA). Thus, an optimization sub-routine based on genetic algorithms was developed, using FORTRAN programming language. The developed sub-routine works in combination with Ansys, a structural analysis commercial program based on the finite elements method. A configuration of a typical UAV wing, made from composite reinforced plastics (CRP) was also proposed. The proposed wing had the number of plies and the orientations of its layers optimized using the developed sub-routine, and satisfactory results had been found. Also the effect of the variation of AG’s operator parameters in its performance, as mutation probabilities, crossover probabilities, fitness scaling, among others, have been assessed. The same wing model considered was also optimized using other build-in methods of the structural analysis program. The results of these optimizations have been compared with the results obtained with the developed sub-routine

Sistemas de Transportes Inteligentes (STIs) englobam um conjuntos de tecnologias (Sensoriamento Remoto, Tecnologia da Informação, Eletrônica, Sistemas de Comunicação de Dados entre outros) que visam oferecer serviços e gerenciamento de tráfego avançado para meios de transporte rodoviário, aéreo e outros. A obtenção de informações a respeito das características e das condições do pavimento das estradas constitui uma parte importante dentro do sensoriamento nesses STIs. Investigar novas técnicas, metodologias e meios de automatizar a obtenção dessas informações é parte deste trabalho. Uma vez que existem diferentes tipos de defeitos em vias pavimentadas, esta tese apresenta a proposta de uma metodologia que permite a obtenção, de forma automática, das condições dos pavimentos asfálticos. A obtenção dos dados foi realizada por meio do Sensoriamento Remoto com uso de Veículos Aéreos Não Tripulados. A utilização de técnicas de Aprendizado de Máquina na detecção automática possibilitou alcançar uma acurácia de 99% na detecção de pavimentos asfálticos flexíveis e 92% na identificação de defeitos em alguns experimentos. Como resultado obteve-se o diagnóstico automático, não só das condições da via, mas de diferentes tipos de defeitos presentes em pavimentos. / Intelligent Transport Systems (ITS) is a set of integrated technologies (Remote Sensing, Information Technology, Electronics, Data Communication Systems among others) that aims to provide services and advanced traffic management for road, air, rail and others transportation systems. Obtaining information about characteristics and road pavement conditions is an important part within the sensing these ITS. Investigating new techniques, methods and means to optimize and automate obtaining these information are part of this work, since there are different types of defects on paved roads. Thus, this thesis proposes a methodology that allows automatically obtain information about the condition of the pavement. Data collection was performed with remote sensing technology using Unmanned Aerial Vehicles. Automatic detection was possible through the use of Machine Learning techniques with 99% of accuracy in pavements and 92% in distress identification. As a result we obtained the self-diagnosis, not just the pavement, but different types of distress present in the pavement.

Orientador: Vania Silvia Rosolen / Resumo: No Brasil, a captação de água para irrigação é de aproximadamente 1000 m³/s, caracterizando o maior consumo de água do território nacional. Como possível ambiente de estoque natural de água que cobre quase 20% do território, as áreas úmidas vem sendo drasticamente reduzidas pela conversão do uso da terra. As áreas úmidas promovem a infiltração das águas superficiais e caracterizam áreas de recarga de aquíferos. Nesse sentido, medidas e modelos relacionados aos solos com propriedades hidromórficas e seu papel na recarga de aquíferos constituem um desafio para compreender a dinâmica entre solo e água, a fim de atender o desenvolvimento sustentável. Neste estudo, análises baseadas em sensoriamento remoto, com o uso de sensores ópticos de alta resolução espaço-temporal a bordo de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANT), associadas ao uso de técnicas não invasivas que permitem o mapeamento da arquitetura subsuperficial dos sistemas pedológicos (ensaios geofísicos de Eletrorresistividade, por Tomografia Elétrica), foram aplicadas para compreender a relação água-solo superficial e subsuperficial em uma área úmida da chapada sedimentar do oeste mineiro. A integração destes dados com ensaios in situ de permeabilidade e de densidade e granulometria dos solos, permitiu uma abordagem ampla e tridimensional do comportamento dos parâmetros hidrogeológicos na área úmida. Os resultados permitiram determinar que a área úmida estudada é uma depressão que possui três compartimentos com distinções... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Mestre

Detecção de linhas de alta tensão em ambientes complexos é uma das tarefas mais desafiadoras em inspeções que utilizam Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs). Este trabalho foca em dar uma solução para este desafio, através do desenvolvimento de um algoritmo de controle de voo de precisão, que guie o VANT de maneira autônoma sobre as linhas de alta tensão. O algoritmo proposto é baseado em quatro etapas: Captura da Imagem, Filtragem da Imagem, Detecção das Linhas e Controle de Voo. Inicialmente a imagem é redimensionada para um tamanho em que as linhas fiquem em maior evidência, depois uma sequência de filtros é aplicada na imagem para reduzir ruído e evidenciar ainda mais as linhas. Depois deste pré-tratamento, um filtro de duas dimensões com formato similar ao de uma linha de alta tensão é usado para extrair os pixels pertencentes as bordas destas linhas. Após a aplicação do filtro de duas dimensões, a Transformada de Hough é aplicada na imagem resultante para detectar os segmentos de reta. Por fim, todos os dados obtidos no processamento da imagem são utilizados para guiar o VANT de maneira autônoma pelas linhas de transmissão. O algoritmo proposto apresenta um eficiente sistema de detecção de linhas de alta tensão, para auxiliar o controle de voo autônomo de um VANT, apresentando resultados convincentes. / Power lines detection in complex environments is one of the most important and challenging tasks in Unmanned Aerial Vehicles (UAV)-based inspections. This work focuses on tackling this challenge by developing a control algorithm to support fine grain UAV control to autonomously guide the aerial platform over the power lines. The proposed algorithm is based on four stages: Image Capturing, Image Filtering, Line Detection and Flight Control. Firstly, the image is cropped to a size that fits all the power lines, then a sequence of filters is applied in the image to reduce noise and highlight these lines. After all the image's pretreatment, a 2D filter with similar shape of a power transmission line is used to extract pixels that belongs to the line's edges. Then, the Hough Transform method detects the line segments in the edges result image. Lastly all the obtained data is used to autonomously guide a UAV over the power transmission lines. The proposed algorithm presents an efficient power transmission lines detecting system to support the autonomous UAV guidance, which presents convincing results.