Drones para Coastal Enviro Management

Justin Manley • 20 março 2019

Um Timelapse de EagleRay Transição do Mar para o Céu (Crédito NCSU)

Um Drone VTOL sobre a Baía de Monterey. (Crédito: MBARI)

Uma Demonstração Comercial Hexacopter Survey. (Crédito: J. Manley)

Sistemas aéreos não tripulados (UAS), comumente chamados de drones, têm causado impactos crescentes no domínio marítimo. À medida que as capacidades dessas plataformas aumentaram, também tiveram suas contribuições para a ciência marítima, a defesa e a indústria. Reconhecendo isso, a Alliance for Coastal Technologies (ACT) e a Associação Regional Nordeste de Sistemas de Observação Costeira e Oceânica (NERACOOS), com apoio do Sistema de Observação dos Oceanos Integrados dos Estados Unidos (IOOS), organizaram um workshop sobre usos práticos para drones Problemas em Zonas Costeiras na Reserva Nacional de Pesquisa Estuarina de Wells (WNERR) em Wells, Maine, no final de 2018. O workshop foi projetado para facilitar o compartilhamento de informações e melhores práticas para apoiar as aplicações em rápida expansão de drones em gerenciamento costeiro.

Resumo do Workshop
Os objetivos do workshop foram resumir o estado da tecnologia em UAS de nível de pesquisa e monitoramento, compilar exemplos de uso atual nesta área, compreender as limitações e desafios logísticos associados a UAS, desenvolver melhores práticas operacionais e de gerenciamento de dados / análises, e descrever futuros desenvolvimentos e aplicações para sistemas costeiros de observação oceânica. Um relatório abrangente do workshop está disponível no site do ACT (www.act-us.info).

O workshop também procurou explorar os desafios do sensoriamento remoto multiespectral e hiperespectral verdadeiramente quantitativo em ambientes marinhos costeiros e as questões legais e de privacidade associadas ao uso de drones em terras públicas e privadas e em espaços oceânicos.
Para promover uma ampla participação e compartilhamento de informações intersetoriais, os participantes da oficina incluíram desenvolvedores de tecnologia UAS do setor privado e provedores de serviços, pesquisadores acadêmicos que desenvolvem e / ou usam UAS e membros da equipe de agências governamentais com experiência no uso de UAS ou

Dados do UAS ou trabalhando em problemas de gerenciamento que poderiam ser resolvidos com o UAS.

O primeiro dia do workshop contou com demonstrações de campo de três tipos de UAS: quadcopter, asa fixa e hexacopter.

O segundo e terceiro dias foram sessões de painéis com apresentações cobrindo tópicos como:

• Drones para pesquisar habitats
• Drones para detecção e monitoramento de blooms de algas nocivas (HAB) na Flórida
• Drones como uma ferramenta para levantamento de pântanos de maré em três locais na Costa Leste, Costa do Golfo e Costa Oeste
• Uso de drones para transectos costeiros / offshore e outras pesquisas na Baía de Monterey
• Desenvolvimento de drones que operam nos ambientes aéreo e marítimo

Wells National Estuarine Research Reserve recebe drones. (Crédito: J. Manley)

Cada sessão do painel foi seguida por discussões em grupo. As sessões plenárias incluíram relatórios dos grupos de discussão e discussões em grandes grupos do painel e tópicos de discussão. Entre as principais mensagens de takeaway das apresentações e discussões foram as seguintes:

• Embora os UAS sejam uma nova ferramenta para o gerenciamento costeiro, seu valor foi demonstrado para uma ampla variedade de aplicações, como mapeamento de habitats, monitoramento de vida selvagem, detecção de branqueamento de corais, gerenciamento de mariscos, detecção de detritos marinhos, monitoramento de mudanças no litoral, gerenciamento de praias e recursos de areia, mapeamento de zonas inundadas e inspeção de pontes e outras estruturas.
• Os UAS também podem ser úteis em muitos outros contextos de gerenciamento, como detecção e rastreamento de blooms de algas nocivas (HAB), monitoramento de interações entre humanos e animais, monitoramento da qualidade da água, rastreamento de poluentes e monitoramento da estabilidade de marés.
• Os gerentes estão ansiosos para usar drones, mas a maneira de usá-los nem sempre é bem compreendida. É importante começar perguntando: “Qual é a questão ou problema de gerenciamento?” Isso determinará quais dados são necessários e como eles devem ser coletados, que podem ser drones.
• Como em qualquer dado, os dados do drone precisam ser traduzidos em informações, que podem ser usadas para gerenciamento.
• O uso de drones para adquirir dados geoespaciais quantitativos precisos é desafiador e requer habilidades e conhecimentos técnicos avançados. A contratação de especialistas em operações de drones e processamento de dados é normalmente necessária.
• As melhores práticas para usar drones para coletar dados geoespaciais estão bem estabelecidas. Orientações sobre as melhores práticas estão disponíveis em publicações como o e-book PrecisionHawk Beyond The Edge e o Plano de Gerenciamento de Dados de Sistemas de Aeronaves não-tripulados USGS 2015.
• Os participantes do workshop identificaram tempos de voo curtos devido a restrições de bateria como uma das maiores limitações na tecnologia de drones no momento. Outras melhorias tecnológicas desejadas incluem capacidades expandidas de carga útil, modularidade para permitir que drones transportem diferentes cargas / sensores, capacidades para todos os climas, drones “mais inteligentes” com consciência situacional, maior capacidade de armazenamento de dados, padronização de tipos de dados, melhorias no gerenciamento de dados Processamento de dados a bordo e capacidades que vão além das imagens e do sensoriamento remoto, como a implantação de dispositivos de amostragem de água.
• Leis e regulamentos restringem o uso de drones para pesquisa e manejo oceânico e costeiro. Por exemplo, os drones podem voar somente abaixo de 400 pés e devem permanecer dentro da linha de visão do piloto em todos os momentos. Cada drone deve ser pilotado por um piloto licenciado e dedicado, o que significa que vários drones não podem ser controlados por um único piloto como em um enxame. Outra consideração importante é que a incerteza sobre possíveis mudanças nas leis e regulamentações dificulta o planejamento da pesquisa.
• O teste e a avaliação de plataformas e sensores UAS por uma entidade independente, como o ACT, seriam úteis para pesquisadores, gerentes e técnicos.

Destaques Tecnológicos
Houve várias tecnologias inovadoras apresentadas no workshop. Uma preocupação fundamental para todos os sistemas não tripulados são as cargas úteis. Durante este workshop, pesquisadores do Instituto de Pesquisa do Aquário de Monterey Bay (MBARI) discutiram o uso de um Flightwave Edge, um avião híbrido de asa fixa. Pode decolar e pousar usando a tecnologia Vertical Take Off and Landing (VTOL). Também pode fazer a transição sem interrupções de hover para flight forward e vice-versa. Seu sistema de carga útil com trava de torção intercambiável permite que os operadores realizem múltiplas missões usando uma única aeronave. Os operadores do MBARI usaram esse drone combinado com um imager FLIR para mapeamento térmico frontal. Eles também usaram câmeras de alta resolução e foram capazes de identificar animais na água, neste exemplo a água-viva, bem como pássaros em vôo.

Além dos resultados de campo do MBARI e de outros usuários da ciência, o workshop apresentou novas ideias para drones que podem operar tanto no ar quanto embaixo d'água. A North Carolina State University apresentou conceitos para veículos autônomos de domínio cruzado (XAVs). Com o patrocínio da DARPA e uma parceria com a Teledyne Scientific, essa equipe construiu um drone de asa fixa que pode voar e nadar. Este sistema, apelidado de EagleRay, foi desenvolvido e testado extensivamente entre 2015 e 2016. O veículo EagleRay é um híbrido UAV-UUV baseado em um design VTOL de asa fixa. Duas iterações foram construídas e demonstraram um ciclo completo de nadar e nadar. A versão 2 inclui hardware e sensores de piloto automático para operação autônoma. Compartimentos passivamente inundáveis / drenáveis permitem que o veículo atinja uma flutuabilidade quase neutra, mas liberem rapidamente a água de lastro na saída. Dois projetos de compensadores de flutuabilidade ativos também foram testados. A propulsão da hélice é movida por motores elétricos sem escova. Ambos os sistemas separados de propulsão de ar e água e de dupla utilização foram testados

Outra nova tecnologia discutida no workshop foi o SeaHawk da Igloo Innovations. Existem duas variantes deste novo design, SeaHawk Alfa e SeaHawk Chimera. O Alfa se parece muito com um quadcopter típico e funciona de maneira semelhante no ar. Ao contrário de um quadcopter, no topo da Alfa há uma boia removível que contém telemetria sem fio para a estação de controle. Quando o veículo submerge, a bóia permanece na superfície e amarrada ao veículo, mantendo assim a comunicação. A boia pode ser removida para operações subaquáticas totalmente autônomas. O Alfa tem uma capacidade de carga de 5 kg (10 lbs) e uma velocidade máxima de vôo de 60 km / h (37 mph). Um sistema de propulsão subaquático dedicado movimenta o Alfa a velocidades de até 4 kts enquanto submerso. Sua profundidade operacional é de 50 m (150 pés) e pode operar por aproximadamente 60 minutos combinados em qualquer meio. A Quimera parece similar à da Alfa, exceto que o veículo permanece na superfície e somente a carga útil é colocada sob a água. Com uma capacidade de carga útil de até 20 kg (40 lbs), o veículo é planejado como uma plataforma modular para transportar uma gama mais ampla de cargas úteis do que o Alfa. Por exemplo, a carga útil pode ser um ROV ou AUV fornecendo recursos subaquáticos avançados. A Quimera também pode pairar acima da água e descer um dispositivo de amostragem para coletar amostras com o mínimo de perturbação na superfície da água.

As discussões, demonstrações e apresentação de tecnologias emergentes no workshop do ACT foram impressionantes. Os leitores interessados em mais informações podem entrar em contato com a ACT.

Acima e abaixo: O SeaHawk Flying / Swimming Drone (Créditos: Inovações Igloo)