1
Implementação de Sistema de
Aquisição para Ensaios em Voo de
um VANT (Veículo Aéreo
Não-Tripulado)
Glêvson Diniz Franco
Prof. Dr. Luiz Carlos Sandoval Góes
(Orientador)
Roteiro
VANTs
Definição
VANTs ITA LSA
Motivação, Objetivos da Pesquisa e Infraestrutura Vector-P
Icasim Sensores
Arquitetura do sistema de aquisição
cRIO
ARM
Dados de Ensaio em Voo Conclusão
3
VANT (Veiculo Aéreo Não-Tripulado)
“É definido formalmente como um veículo aéreo
propulsado que usa forças aerodinâmicas para prover
sustentação e não possui operador humano, sendo
capaz de voar de forma autônoma ou pilotada
remotamente.”
[Defense United States of America, 2001]
Possui capacidade de carregar carga paga letal ou
não-letal, além de ser recuperável ou descartável.
Aeronaves de pesquisa, de reconhecimento e de
VANT DCTA ITA LSA
Desenvolvimento no Laboratório de Sistemas
Aeronáuticos (LSA) – Departamento de Mecânica de
Voo e Controle de Aeronaves
5
DCTA ITA LSA
Objetivos e Linhas de Pesquisa
Modelagem dinâmica das eqs. de movimento (modelos aerodinâmicos
lineares e não-lineares);
Estimação de parâmetros aerodinâmicos com dados de ensaios em
voo;
Desenvolvimento e testes de estratégias de controle em tempo real –
Sistemas HIL para VANT;
Modelagem dinâmica e identificação experimental de sistemas de
comando de voo;
Motivação
Para elaboração de algoritmos de controle próprios ou
otimização do controlador (Micropilot) é necessária a
identificação do modelo da aeronave, para tal
utilizam-se técnicas de identificação que utilizam-se iniciam-utilizam-se por
parâmetros da geometria da aeronave, com auxilio de
ferramentas como o (AAA, J2) e preferencialmente
finalizam com a identificação por ensaio em voo, onde a
aeronave ensaiada é submetida a determinadas
manobras que excitam os modos desejados. Em posse
dos dados de entradas (deslocamento das superfícies,
throttle, etc. para realizar as manobras) e dos dados de
saída (atitude, velocidade e etc., como resposta da
aeronave às manobras) pode-se utilizar algoritmos de
identificação para levantar o modelo da aeronave.
7
17:04
Objetivo
Substituir o Icasim pelo cRIO como plataforma de
ensaios em voo por ser mais flexível, robusto e por
demandar menor tempo para reconfigurações.
Configurar o cRIO para aquisitar os dados processados e
os dados crus da AHRS visando utilizar um algoritmo
próprio de fusão sensorial.
Para baixo payload usar o ARM com programação
labVIEW, robusto e rápida reprogramação.
Desenvolvimento/upgrade
da
estação
solo
de
DCTA ITA LSA
Infraestrutura do Laboratório de Ensaios em Voo - ITA
Softwares Envolvidos
LabVIEW
Software para simulação em tempo real (Opal-RT);
Software para estimação de parâmetros e identificação de modelos aerodinâmicos (Estima-DLR, Opal-Dinamo);
Software para simulação HIL-Matlab (DSpace);
Software para aquisição de dados anemométricos, integrados com dados de GPS e INS (ICASIM);
Software para simulação de sistemas de comando de voo (AMESIM, 20-SIM);
Hardwares Envolvidos
Plataforma Inercial (AHRS da Crossbow);
Sistema GPS;
Sistema de aquisição de dados anemométricos (smart-boom ICASIM);
Sistemas de Simulação em Tempo Real (HIL) da DSpace, RTLAB, National-RT;
Analisador Dinâmico de Fourier Multicanais (ACE);
Sistemas portáteis de aquisição de dados da NI-LabVIEW
9
O Vector-P
Características
veículo aéreo não-tripulado fabricado pela Intellitech
Microsystems (Estados Unidos) em material composto
é uma pequena aeronave para aplicações que exigem
desempenho e confiabilidade a um preço acessível.
Ex: missões de busca e salvamento, monitoramento de áreas
O Vector-P
Especificações
Envergadura 2,58 metros
Fuselagem Comprimento 1,525 metros
Velocidade Máxima 100 nós (185 km/ h)
Velocidade de Cruzeiro 70 nós (129 km/h)
Velocidade para pouso 40 nós (74Km/h)
Motor de 75cc, 7,5 hp, modelo 3W 75iS (capaz de 180N de
empuxo), motor 2 tempos a gasolina
Hélice Biela 24x10
Alcance máximo (autonomia)
280 milhas (519 km), dependendo do combustível a bordo.
Altitude Max 10.000 pés (3 km)
Max Peso de Descolagem 34 kg
Peso Vazio 19,7 kg
Combustível a bordo Padrão 2,3 litros
11
O Vector-P: Icasim - Simtec (Suíça)
Sistema de monitoramento de voo Icasim Flight Test
Equipment (IFTE) TRM/916 acoplada a plataforma de voo
(Vector-P)
Permite a gravação de todos os dados desejados e posterior
visualização em programa proprietário ou em outros capazes
de acessar seus arquivos, possibilitando uma posterior
análise do voo e fornecendo dados para identificação do
modelo da aeronave.
O Vector-P: Icasim (TRM/916)
Dados Técnicos
É um pequeno computador (PC104) rodando um sistema
Linux, com interface de comando diretamente no painel
Possui uma interface de comunicação LAN Ethernet e
uma memória de massa em um cartão compact flash de
256MB
Conexões externas:
Receptor GPS 1Hz
Ponta de prova anemométrica (Boom) Unidade inercial (Crossbow AHRS400)
Modulo AD (POTI-AMP) para leitura de potenciômetros para
sensoriamento de superfícies de controle
13
O Vector-P: Icasim (TRM/916)
SWITCH & PROTECTION
POWER DISTRIBUTION BOX
DB-VCP1
BATTERY BANK CONDITIONING & POWER SUPPLY
DISTRIBUTION BOX DB-VCP2 Pick-up BOARD PK-VCP A u x ili a r C h a n n e l 2 4 V d c 2 4 V d c 1 2 V d c C O N -V C P 1 C O N -V C P 2 C O N -V C P 3 C O N -V C P 4 C O N -V C P 5 CON-VCP6 CON-VCP7 CON-VCP8 CON-VCP9 FUSE-VCP1 FUSE-VCP2 FUSE-VCP3 D C B A 4 3 2 1 D C B A 4 3 2 1 ICASIM POTI-AMP Glêvson Design VECTOR-P
ICASIM Power Distribution and Instrumentation
SIZE A4 DRW NO. DRW-VCP-100 REV 1.0 SCALE 1:1 SHEET 1 OF 1 Antena GPS AHRS Boom External Board External Board External Board Internal Board Internal Board Internal Board GPS Elevator Rudder Aileron
Throttle/RPM Acesso dos
arquivos via Ethernet, visualização com o suite-simo
O Vector-P: Icasim (TRM/916)
Os sensores : Unidade inercial
É a AHRS-400CC-200 fabricada pela Crossbow
É um sistema de estado sólido para sensoriamento de atitude e de
posicionamento, destinado às aplicações embarcadas (VANTs)
Possui tecnologia MEMS (Microelectromechanical systems) fornece atitude e direção em medições estáticas e dinâmicas que ultrapassa os tradicionais sistemas de giroscópios e acelerômetros
Os dados de saída são fornecidos no formato digital (RS-232) e
15
O Vector-P: Icasim (TRM/916)
Os sensores: Ponta de Prova anemométrica (Boom)
Desenvolvida pela Simtec (Suíça) com o objetivo de ser utilizada
em aeronaves de pequeno porte (VANTs)
Já veio calibrada para o envelope de voo do Vector-P
A Boom mede os parâmetros mais relevantes:
Velocidade da aeronave (pressão de impacto) Altitude da aeronave (pressão estática)
Ângulo de ataque
Ângulo de derrapagem
Temperatura do ar (TAT – Total Air Temperature) Temperatura interna
O Vector-P: Icasim (TRM/916)
Os sensores: GPS
Interno ao Icasim fornece os dados comuns a maioria dos GPS,
sendo os mais relevantes ao sistema de ensaio em voo: latitude,
longitude, altitude e velocidade.
Os sensores de deslocamento de superfícies
Servos modificados para fornecerem a posição das superfícies
(03 superfícies de controle e também acoplado ao throttle ou
17
O Vector-P: Modificações no Vector-P
Modificação dos servos atuadores para leitura da
O Vector-P: Modificações no Vector-P
Modificação dos servos atuadores para leitura da
19
O Vector-P: Modificações no Vector-P
Modificação dos servos atuadores para leitura da
posição
Profundor Aileron Leme Throttle SerialO Vector-P: Modificações no Vector-P
Modificação dos servos atuadores para leitura da
21
Placa de condicionamento e leitura de RPM
Adição de um circuito de condicionamento para a faixa de
leitura do POTI-AMP
Há duas formas de monitorar o “motor” do Vector-P
monitorando o servo da manete através do POTI-AMP
monitorando a rotação do motor através do sensor hall que foi
adicionado ao eixo do motor (sinal é monitorado pelo AD de um microcontrolador PSOC)
Ensaio de “Bancada”
Injetado o sinal de um gerador de sinais na entrada do
microcontrolador
Ensaio “Prático”
teste do microcontrolador utilizando o sensor de efeito hall
acoplado ao eixo do motor
0 2000 4000 6000 8000 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
Curva rotação X Tensão
RPM T e n s ã o Bancada Prático
Gráfico do resultado do ensaio do microcontrolador de leitura
Placa de condicionamento e leitura de RPM
23
Placa de condicionamento e leitura de RPM
A rotação do motor foi obtida a partir dos vetores de variáveis
do Icasim através de uma equação de conversão utilizando a
ferramenta de curve fiiting do MATLAB
O Vector-P: Modificações no Vector-P
-1001 -50 0 50 100 2 3 4 Vetores Icasim T e n s ã o
Vetores Icasim X Vetores Tensão data 2 linear 0 1 2 3 4 0 0.5 1 1.5 2 2.5 x 10
5 Tensão X Curva rotação
RPM T e n s ã o Bancada 7th degree
Técnica de curve fitting para os dados de entrada do
Icasim
curva de rotação do microcontrolador
cRIO
cRIO no Vector-P
25
Controladora
FPGA
Icasim (esquerda) , Micropilot (Centro) e cRIO (direita) no Vector-P
Ensaios em voo
27
Local Data Voos Sistema em teste
Micropilot/Horizon Icasim CompactRIO (NI)
São José dos Campos – SP 23/11/07 Voo 1 ● Voo 2 ● Voo 3 ● Voo 4 ● Pindamonhangaba – SP 27/10/08 Voo 1 ● Voo 2 ● Pindamonhangaba – SP 14/05/09 Voo 1 ● Pindamonhangaba – SP 06/02/10 Voo 1 ● Voo 2 ● Voo 3 ● Pindamonhangaba – SP 07/02/10 Voo 1 ● ● Voo 2 ● ● Voo 3 ● ● Voo 4 ● ● Voo 5 ● ●
Dados do ensaio em Voo
Gráfico do deslocamento de superfícies e AHRS
Superfícies (Profundor,
Leme, Aileron)
juntamente com os dados da AHRS (pitch,
roll e yaw) 0 5 10 15 20 25 30 35 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
Ângulos de Atitude e Deslocamento das Surperfícies de Comando
Tempo[min] Â n g u lo [ G ra u s ] Pitch Roll Yaw Profundor Aileron Leme
29
Dados do ensaio em Voo
Deslocamento de superfícies
o deslocamento das três superfícies de controle do Vector-P (Profundor, Aileron e Leme) em um único gráfico gráficos individuais do deslocamento de cada uma das superfícies de controle0 5 10 15 20 25 30 35
-100 0 100
Deslocamento das Surperfícies de Comando
 n g u lo [ G ra u s ] Profundor Aileron Leme 0 5 10 15 20 25 30 35 -50 0 50 Profundor 0 5 10 15 20 25 30 35 -50 0 50 Aileron 0 5 10 15 20 25 30 35 -100 0 100 Tempo[min] Leme
Dados do ensaio em Voo
Resultados para o GPS
-0.793 -0.793 -0.7929 -0.7929 -0.7928 -0.4005 -0.4005 -0.4004 -0.4004 -0.4003 -0.4003 550 600 650 700 750 800 Latitude[Graus] GPS Solution 3D Longitude[Graus] A lt it u d e G P S [m ] Gráfico em 2D e 3D da trajetória e altitude obtida-22.946 -22.944 -22.942 -22.94 -22.938 -22.936 GPS Usernavdata L a ti tu d e [G ra u s ] Trajeto
Gráfico da altitude GPS durante o ensaio em voo do Vector-P
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 500 600 700 800 Altitude GPS Solution Tempo[min] A lt it u d e [m ] Altitude
31
Conclusões
Após testes em solo em laboratório e teste em voo
constatou-se:
Que os substitutos do Icasim no Vector-P atendem as
necessidades de fornecimento de dados para a técnica de modelagem aerodinâmica baseada em ensaio em voo.
Que a flexibilidade do sistema permite rápida reconfiguração de
FIM
Contatos:
Glêvson Diniz Franco
glevson@hotmail.com glevson@ita.br
glevson@krypem.com
