IMPLEMENTAÇÃO DE SENSORES DE POSCIONAMENTO GLOBAL E RÁDIO FAROL PARA UMA PLATAFORMA NÁUTICA DE TESTES

Anais do XVI Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA – XVI ENCITA / 2010 Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil, 20 de outubro de 2010

IMPLEMENTAÇÃO DE SENSORES DE POSCIONAMENTO GLOBAL E

RÁDIO FAROL PARA UMA PLATAFORMA NÁUTICA DE TESTES

Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos- SP

Bolsista PIBIC-CNPq fernandalvferreira@gmail.com

Neusa Maria Franco de Oliveira

Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos- SP

neusa.m.franco@gmail.com

Resumo. Na área de estudos baseados em veículos autônomos, as tecnologias mais recentes aplicadas a elementos sensores e atuadores permitem inserir nestas plataformas sistemas de sensoriamento capazes de possibilitar que o veículo seja controlado remotamente, possibilitando uma infinidade de aplicações. Neste projeto, o instrumento principal de trabalho é uma plataforma náutica não tripulada, previamente concebida. Foi feito um estudo sobre todos os componentes deste veículo e sobre a implementação de elementos sensores para executar o seu controle geograficamente. Além disso temos o aprimoramento da comunicação via rádio modem para transmitir os sinais que envolvem a telemetria. Para esta plataforma foram elaborados programas de controle remoto bem como um sistema medidor de nível de bateria.

Palavras chave: Navegação, guiagem, posicionamento global, plataforma náutica, rádio controle 1. Introdução

Existem vários estudos baseados em veículos autônomos. As novas tecnologias aplicadas aos elementos sensores e atuadores permitem embarcar nessas estruturas veiculares sistemas de sensoriamento capazes de automatizar a guiagem e o posicionamento, com o objetivo de serem controlados remotamente possibilitando a inserção em locais hostis e preservando a integridade física do ser humano.

Este trabalho é baseado numa plataforma náutica previamente concebida, sobre a qual tem-se a motivação de implementar sistemas de posicionamento baseados em GPS ou rádio farol, além da parte de comunicação.

Com a implementação de um sistema de GPS a plataforma náutica pode ser facilmente localizada pelo operador, como também pode enviar sinais contendo suas coordenadas, distâncias percorridas, dentre outras inúmeras informações. Assim a embarcação autônoma tem a possibilidade de percorrer distâncias maiores sem que o operador precise a acompanhar visualmente. Pode-se acionar a embarcação ou controlar todas as suas posições (por meio da rede mundial de computadores) estando-se, por exemplo, em outro continente. Esse novo aparato faz surgir diversas novas utilidades. Pode-se citar como exemplo, o seu uso em pesquisas marítimas, que por vezes têm como objetivo recolher informações de locais inóspitos, ou com dificuldade de acesso ao ser humano.

Os sinais dos sensores, devidamente inseridos na plataforma náutica, devem ser condicionados e interpretados por um computador de bordo, no qual se deve ter além do hardware que resolve a guiagem, o tratamento dos sinais dos sensores e a telemetria para uma estação remota que está baseada em um microcomputador tipo PC.

2. Estudos a partir da plataforma existente

Figura 1. Estrutura mecânica da plataforma nautical utilizada no projeto.

Primeiramente foram feitos estudos sobre a plataforma previamente concebida e sobre os softwares local e remoto que ajudam na sua locomoção. Partindo da concepção do movimento do protótipo, tem-se o acionamento dos dois motores (bombordo e estibordo), feito através de um circuito que contém um par de relês para cada motor. Os relês por sua vez recebem sinais oriundos de um microcontrolador, que através da interface serial (RS232) se comunica com o rádio modem. Desta forma, tem-se a comunicação feita via rádio modem entre a plataforma e o computador remoto. Dentro da plataforma temos uma bateria (13,5 V) que tem uma autonomia de mais de uma hora.

Abaixo, tem-se a Fig. 2 retirada do artigo [1], que mostra o circuito que aciona os motores. Observando o motor a bombordo (M1), bem como o par de relês (R1 e R2) que estão acoplados a ele, tem-se a seguinte situação: o motor 1 gira numa determinada direção quando temos os contatos de R1 operando (NO1 fechado e NC1 aberto) e os de R2 não operando (NO2 aberto e NC2 fechado), e ele gira na direção oposta quando o inverso ocorre, contatos de R1 não operando (NO1 aberto e NC1 fechado) e os de R2 operando (NO2 fechado e NC2 aberto). O motor a estibordo funciona analogamente ao motor a bombordo. Quando os quatro relês estão desativados, os dois motores também estão, e controlando os dois motores simultaneamente pode-se fazer com que a plataforma náutica navegue nos dois sentidos longitudinalmente bem como ao redor de si mesma. Vale ressaltar que o sistema foi desenvolvido de forma a não operar quando duas ações contrárias (girar no sentido horário e anti-horário, por exemplo) são acionadas pelo operador.

Figura 2. Circuito de contato do relé para acionar os motores.

Anais do XVI ENCITA, ITA,20 de outubro de 2010

, por meio da porta paralela. Para este primeiro circuito, foi elaborado um programa em linguagem Delphi/Assembly para a execução de testes. Em seguida, evoluindo o estudo, utilizou-se um circuito com dois motores que se ligava ao computador por meio da porta serial. Para este segundo circuito, elaborou-se um programa (também em linguagem Delphi), que permitisse a realização das mesmas tarefas que os motores da plataforma são capazes de executar.

Tem-se abaixo na Fig. 3 a janela de execução deste programa teste para o circuito com os motores.

Figura 3. Janela do programa de controle de motores.

Tendo sido observado o sentido de transmissão de dados computador remoto plataforma, devia-se verificar a parte da recepção, a fim de verificar o status de comunicação.

Desta forma, primeiramente foi elaborado um programa capaz de ecoar mensagens escritas numa caixa de diálogo. A janela deste programa pode ser vista abaixo na Fig.4.

Figura 4. Janela do programa de testes de recebimento de mensagens

Após testes preliminares podia-se elaborar um novo programa que comandasse a plataforma remotamente. Este programa deveria ter então todas as possibilidades de tarefas que a plataforma pode realizar, as quais teriam que ser acionadas facilmente pelo operador, o status da comunicação e por fim, deveria se comunicar com ela via rádio modem. A janela do programa criado pode ser vista abaixo na Fig. 5.

Figura 5. Janela do programa de testes completo da plataforma náutica.

Todos esses programas feitos em linguagem Delphi foram elaborados com o auxílio do livro [2].

4.Sistemas de posicionamento global e rádio farol

Logo após os estudos preliminares sobre a plataforma concebida, começou-se o estudo sobre sistemas de posicionamento global e rádio farol.

Primeiramente tem-se um estudo do funcionamento de um GPS. Temos que a posição de um ponto no espaço é determinada através das distâncias entre esse ponto e satélites com posições no espaço conhecidas (trilateração). Essas distâncias são calculadas a partir da determinação do tempo que os sinais de rádio emitidos pelos satélites demoram a atingir o receptor.

O mais relevante seria a comunicação com o GPS e a interpretação dos sinais dele provenientes. Temos então sinais num formato predeterminado, o formato NMEA (National Marine Electronics Association). Isto é uma especificação que define a interface entre vários equipamentos eletrônicos da marinha. Desta forma o receptor de comunicação do GPS está dentro desta especificação. Existem sentenças padrão para cada categoria de dispositivo e tem-se a possibilidade de definir sentenças próprias para uma determinada empresa.

Para a plataforma náutica o hardware de interface utilizado foi desenvolvido pela TYCO, obedecendo aos requisitos da NMEA. Este dispositivo possui compatibilidade com a porta serial do computador, através dos protocolos RS232.

As sentenças NMEA que este dispositivo (TYCO – A1021) recebe são iniciadas respestivamente por $GPGGA, $GPRMC e $GPGSA. Como todas as sentenças padrão começam com $GP, descobriu-se que os sufixos indicavam informação fixa, dados mínimos recomendados para GPS e dados de satélites mundiais.

Temos abaixo o exemplo de sentenças nestes formatos.

$GPGGA,123519,4807.038,N,01131.000,E,1,08,0.9,545.4,M,46.9,M,,*47 $GPRMC,123519,A,4807.038,N,01131.000,E,022.4,084.4,230394,003.1,W*6ª $GPGSA,A,3,04,05,,09,12,,,24,,,,,2.5,1.3,2.1*39

Todas elas contém status de verificação de validade do sinal recebido do GPS, desta forma quando se está num local que o sinal de GPS não atinge, as sentenças continuam a ser recebidas porém com um status inválido. Dentre as três sentenças recebidas observou-se que a RMC contém as informações necessárias para o intuito do projeto, então

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,

RMC Recommended Minimum sentence C 123519 Fix taken at 12:35:19 UTC

A Status A=active or V=Void. 4807.038,N Latitude 48 deg 07.038' N 01131.000,E Longitude 11 deg 31.000' E 022.4 Speed over the ground in knots 084.4 Track angle in degrees True 230394 Date - 23rd of March 1994 003.1,W Magnetic Variation

*6A The checksum data, always begins with *

Temos abaixo na Fig. 6 um esquema de como o sistema local deve ficar, para em seguida poder ser acessado (via rádio modem) pelo computador remoto.

Figura 6. Esquema do sistema local final.

A respeito do software, capaz de resolver a guiagem da plataforma náutica, remotamente, foi feito um estudo sobre um programa previamente elaborado [3]. Abaixo, na Fig. 7 pode-se ver este programa elaborado em linguagem Delphi.

Figura7.Programa de GPS elaborado em linguagem Delphi.

Microcontrolador

Status

bateria

Atuadores do

Barco

GPS

Modem

5.Medidor de nível de bateria

Com o objetivo de melhorar o controle do barco, foi projetado um circuito medidor de nível de bateria, que tem como função comparar a tensão da bateria com alguns valores previamente determinados a fim de classificar o estado da bateria, após essa verificação o circuito deve transmitir um sinal para o computador remoto indicando o status. A melhoria seria que quando a bateria estivesse em nível crítico, o computador remoto enviaria um comando para o barco indicando para que ele retornasse para sua estação base, ou para um “local seguro”.

Desta forma foi elaborado um circuito que pudesse fazer essa classificação do nível de bateria, o esquema dele pode ser visto abaixo, na Fig. 8.

Figura8.Circuito medidor de nível de bateria.

Pode-se observar que no circuito temos um circuito integrado LM324 contendo quatro comparadores, as entradas destes comparadores são divisores de tensão do nível atual de bateria (resistências de 7k5 Ω e potenciômetros de 10kΩ devidamente posicionados de acordo com os níves escolhidos para classificação da bateria) e valores fixos de tensão (devido a divisores de tensão com tensão de entrada 3.4 V). Desta forma, dependendo do nível de tensão da bateria os comparadores terão suas saídas sendo 0 ou 1, esses sinais devem ser inseridos no microcontrolador e o mesmo indicará via-rádio modem qual o nível da bateria. Decidiu-se trabalhar com o nível da bateria variando entre 12,5V e 13,8V, já que o circuito da plataforma náutica opera com no mínimo 12 V de tensão. Desta forma quando o nível medido de tensão for 12,5 V teremos o medidor de bateria indicando nível crítico.

6. Agradecimentos

Gostaria de agradecer primeiramente ao Professor Douglas Soares, criador da plataforma a qual foi utilizada e co-orientador do meu projeto de iniciação científica. Como criadores do projeto, gostaria de agradecer também aos professores Neusa M. F. Oliveira, Wagner Chiepa Cunha e Cairo L. Nascimento Jr. Em particular à professora Neusa, que aceitou gentilmente ser a orientadora do projeto de iniciação científica.

Em seguida gostaria de agradecer a FINEP pelo patrocínio do laboratório, o qual está sendo utilizado para a realização do projeto e estudos afins.

Anais do XVI ENCITA, ITA,20 de outubro de 2010

, 7. Referências

[1]Santos, D. S. dos, Oliveira, N. M. F., Cunha, W. C. C., Nascimento Jr., C. L., 2009, “Developing a Nautical Platform for Embedded Modules Testing”, Artigo publicado no SIGE.

[2]Jorge, M.,2004, “Delphi 7 –Passo a passo Lite”, Editora Makron Books.

[3]Santos, D. S. dos, 2009, Programa em linguagem Delphi elaborado para servir de interface entre o dispositivo GPS e o computador remoto.