não tripulados e aplicações

An An á á lise lise de de ve ve í í culos culos a a é é reos reos não não tripulados

tripulados e e aplica aplica ç ç ões ões

A.Bianchi Figueiredo

Filipe Santos

Laboratório de Sistemas Autónomos Instituto Superior de Engenharia do Porto

http://www.lsa.isep.ipp.pt

Sum Sum á á rio rio

Conceito UAV Classificação Caracterização Aplicações

Veículo Aéreo Autónomo do ISEP: FALCOS

Aplicação de sistemas de navegação global por satélite em veículos autónomos

Conceito

Conceito UAV UAV

UAV “Unmanned Aerial Vehicle” - veículo aéreo não tripulado UAV “Unmanned Aerial Vehicle” - veículo aéreo não tripulado

Conceitos relacionados

• RPV

• Drones

Conceitos relacionados

• RPV

• Drones

• Veículo aéreo

• Voo autónomo/controlo remoto

• Sensores navegação e outros

• Estação de controlo de terra

• Sistema de comunicações

• Sistema de lançamento

• Sistema de recolha

• Expansível e recuperável

Classifica

Classifica ç ç ão ão

Classes principais

Alcance Altitude

“endurance”

Capacidade de incursão Dimensão

“Tier”

3 categorias

Sub-categorias

Classes principais Classes principais

12 a 24 5.000 a

> 500 8000 EN

Endurance

6 a 13 5.000

> 500 LR

Long range

6 a 10 5.000

70 a 200 MR

Medium Range

3 a 6 3.000

30 a 70 SR

Short Range

2 a 4 3.000

10 a 30 CR

Close Range

“endurance”

(horas) Altitude de

voo (m) Alcance

Acrónimo (km) Categoria

Classes principais Classes principais

24 a 48 20.000

> 2000 High Altitude HALE

Long

Endurance

20 a 48 14.000

- MALE

Medium Altitude Long

Endurance

> 24 3.000

> 500 LALE

Low Altitude Long

Endurance

10 a 18 8.000

< 500 Medium Range MRE

Endurance

1 0,12 a 9.000

> 250 LADP

Low altitude Deep

Penetration

“endurance”

(horas) Altitude de

voo(m) Alcance

Acrónimo (km) Categoria

Classes principais Classes principais

> 48 20.000 a 30.000

> 2000 STRATO

Stratospheric

3 a 4 4.000

300 LETH

Lethal

Aprox. 2 10.000

Aprox. 1500 UCAV

Unmanned Combat Aerial Vehicle

> 2 50 a 300

-

(limitado à linha de visão) TUAV

Military Tactical UAV

UAVs para fins específicos

< 2 150 a 300

< 10 Mini

Miniature (< 30 kg)

1 250

< 10 Micro Air MAV

Vehicle (< 15 cm)

“endurance”

(horas) Altitude de

voo (m) Alcance

Acrónimo (km) Categoria

Classifica

Classifica ç ç ão ão “ “ Tier Tier ” ”

300

> 12

> 800 14.000 a

20.000

“LowObservable HighAltitude, Endurance”

Strategic LO HAE Tier III

Minus

350

> 42

> 5000 Aprox.

20.000

“High Altitude, Endurance”

Strategic Tier II HAE

plus

70

> 24

> 900 914 a

7.500

“Medium Altitude, Endurance”

Operative Tier II

60 a 100 5 a 24

> 250

> 4.000

“Interim- Medium Altitude, Endurance”

Tactical Tier I

Velocidade (nós)

Endurance (horas) Raio de

acção (km) Altitude

(m) designação

Categoria

Ve Ve í í culo culo

“Airframe” ou estrutura mecânica Avionics (Controlo e navegação) Sist. Energia electrica

Comunicações

Tipos

Tipos de de ve ve í í culos culos

Asa fixa

Balões ou dirigíveis

VTOLs

Lan Lan ç ç amento amento

Catapulta Catapulta

Veículo Veículo

À mão À mão

Descolagem horizontal Descolagem horizontal

Descolagem vertical Descolagem vertical

Largados Largados

Foguete

Foguete

Recolha Recolha

Gancho

Gancho Rede Rede

Vertical

Vertical Paraquedas Paraquedas Parapente Parapente

Esta Esta ç ç ão ão de de controlo controlo em terra em terra

Esta Esta ç ç ão ão de de controlo controlo em terra em terra

Portáteis

Portáteis “Menos” Portáteis “Menos” Portáteis

Interface gráfico

Interface gráfico

Aplica

Aplica ç ç ões ões

Aplica

Aplica ç ç ões ões

Militares Militares

Civis Civis

Reconhecimento Ataque

Apoio a combate Alvos

Busca e salvamento Mapeamento

Prevenção de fogos Comunicações

Monitorização ambiental Investigação Atmosférica Agricultura

Monitorização de tráfego

Fotografia e filmagem

Promoção e publicidade

Panorama actual Panorama actual

Aplicações militares como motor de desenvolvimento de UAVs Aplicações militares como motor de desenvolvimento de UAVs

EUROPA:

•Industria areo-espacial interessada

•Alguns avanços legislativos na França e países nórdicos EUROPA:

•Industria areo-espacial interessada

•Alguns avanços legislativos na França e países nórdicos USA: Department of Defense (DoD) principal promotor

•10 plataformas em execução ou operacionais

•contratos com as principais empresas aeronáuticas (Boeing, Lockeed etc) USA: Department of Defense (DoD) principal promotor

•10 plataformas em execução ou operacionais

•contratos com as principais empresas aeronáuticas (Boeing, Lockeed etc)

AUSTRALIA: um dos pólos de desenvolvimento deste tipo de sistemas

•Forte interesse em aplicações civis

•Legislação específica já aprovada

•Universidade de Sydney possui um grupo de investigação bastante activo AUSTRALIA: um dos pólos de desenvolvimento deste tipo de sistemas

•Forte interesse em aplicações civis

•Legislação específica já aprovada

•Universidade de Sydney possui um grupo de investigação bastante activo

Promotores Promotores

Aplicações militares (DARPA e DoD em colaboração com a indústria) Programa ERSAT da NASA (monitorização atmosférica)

Univ. Stanford

Arizona State University Georgia Tech.

Universidade de Berkeley MIT

Aplicações militares (DARPA e DoD em colaboração com a indústria) Programa ERSAT da NASA (monitorização atmosférica)

Univ. Stanford

Arizona State University Georgia Tech.

Universidade de Berkeley MIT

Estados Unidos Estados Unidos

Europa Europa

Indústria (Aerospatiale, SAAB,Bosch) Universidade de Pisa

Universidade de Glasgow

Indústria (Aerospatiale, SAAB,Bosch) Universidade de Pisa

Universidade de Glasgow

Australia Australia

ATF - Aerospace Technology Forum Universidade de Sydney

ATF - Aerospace Technology Forum Universidade de Sydney

Aplica

Aplica ç ç ões ões

•

Vigilância

Possibilidade de operação continua Longos períodos de tempo

Grandes áreas

Áreas remotas e difícil acesso

•

Repetidores de Comunicação

Dados para unidades no campo de batalha Repetidor celular e aplicações comerciais

•

Investigação atmosférica

Ultra alta altitude e voos de extrema longa duração Exploração áreas perigosas da atmosfera

Altitude entre aeronaves convencionais e satélites

•

ISR (“Intelligence Surveillance Reconnaissance”) Custos reduzidos (satélites, plataformas tripuladas) Imagens em tempo real (ou próximo)

Visão elevada Grandes áreas

ISR + equipamento letal = UCAV (sem risco e ataque exacto)

•

Agricultura

Monitorização de grandes campos

“pathfinder Plus”, plantação de café, Havai RCATS/APV-3, campos de vinhas, Califórnia

Aplica

Aplica ç ç ões ões

SPAWAR

SPAWAR - - Space and Naval Warfare Space and Naval Warfare Systems

Systems Center Center

MSSMP - Multipurpose Surveillance and Security Mission Platform

•Vigilância/reconhecimento

•“Policia aérea”

•Cenários urbanos

DoD DoD - - Darkstar Darkstar

•

Autónomo

(descolagem/voo/aterragem)

• Sistema GPS

•Tier III Minus

•Reconhecimento

•LO HAE

DoD DoD - - Predator (General Atomic) Predator (General Atomic)

Operações

Outubro 2001, Afeganistão (informação táctica) 1999, Kosovo (procura de alvos, vigia de refugiados) Desde 1995, Bósnia

•MAE

•Sistema

4 UAVs (sensores e comunicação) Estação controlo

Sistema de disseminação de dados

DragonFly

DragonFly (Univ. Stanford) (Univ. Stanford)

•Controlo remoto/autónomo após lançamento

•4 antenas GPS

Plataforma investigação

sistema “avionics” modular e expansível

Navegação robusta

Algoritmos de controlo

Aerosonde

Aerosonde - - ^{aerosonde aerosonde robotic robotic aircraft aircraft pty pty , , ltd ltd}

•EN /LR UAV

•Vigilância

•Monitorização ambiental

•Reconhecimento ambiental/meteorológico (oceano e grandes áreas)

•1º UAV a atravessar o norte-atlântico

(1998)

NASA

NASA Perseus Perseus B B

•HALE UAV (20 km altitude)

•Controlo remoto

•Amostras atmosfera

•Monitorização clima

•Repetidor comunicações

•.

NASA Altus II NASA Altus II

• HALE

• Controlo remoto

• Plataforma de

investigação

NASA Proteus NASA Proteus

• EN

•Amostragem atmosférica e monitorização terrestre

•pilotado, semi-autónomo ou

controlo remoto

NASA Helios NASA Helios

• Ultra alta altitude

• longo endurance

• a seguir ao

“pathfinder”

• painéis solares

Missões objectivo

• Repetidor comunicações

•Investigação atmosférica

Nota: queda oceano pacifico 2003

Organiza

Organiza ç ç ões ões

European UnmannedVehicle Systems Association www.euro-uvs.org

Association for Unmanned Vehicle Systems International www.auvsi.org

Unmanned Aerial Vehicle Center www.uavcenter.com

Unmanned Aerial Vehicle Systems Association www.uavs.org

Ve Ve í í culo culo A A é é reo reo Aut Aut ó ó nomo nomo do do ISEP ISEP

FALCOS

FALCOS - - Flight Aerial Light Flight Aerial Light

Cooperative Observation System

Cooperative Observation System

Conceito

Conceito

Aplica

Aplica ç ç ões ões

Prevenção fogos florestais Vigilância maritima

Operações de busca e salvamento Monitorização ambiental

Mapeamento e fotografia aérea

Requisitos Requisitos

Baixo custo

Areas de operação de média dimensão (dezenas de km) Baixa altitude

Elevada autonomia (em tempo e em execução da missão) Equipamento de suporte em terra reduzido e portátil

Fácil operação, lançamento e recolha

Op Op ç ç ões ões de de projecto projecto

“Airframe”: asa fixa Base modelo RC

SBC PC com Linux a bordo Sensores de baixo custo Ligação rádio ethernet

Boa autonomia de vôo Aerodinâmicamente estável Dimensões reduzidas

Boa autonomia de vôo Aerodinâmicamente estável Dimensões reduzidas

Base baixo custo Base baixo custo

Capacidade computacional Tecnologia standard

Sistema aberto

Capacidade computacional Tecnologia standard

Sistema aberto

Sensores de navegação Sensores de aplicação Sensores de navegação Sensores de aplicação

Protocolos standard Baixo custo

Alto débito

Protocolos standard Baixo custo

Alto débito

Arquitectura

Arquitectura do do sistema sistema

PC Linux (SBC) Módulo Controlo Eixos

Comutação Comando

Servos

Receptor RC

Servos

Modem Ethernet Receptor GPS

Acelerometros S. Pressão

Giroscopios Aquisição

Sinal Receptor GPS

Receptor GPS

RS232

PWM PWM Stack 104

Receptor GPS Pan &Tilt

Modem Ethernet

PC

Estação Base

Veículo

! "

# $ % ""

& %' (

!

# $ !

)

* + !( ! ,* -

Prot Prot ó ó tipo tipo

1 protótipo de teste disponível modelo RC com 1.8m envergadura SBC x86 com Linux

motor de combustão 3 receptores GPS sensor pressão

sensor pressão diferencial giroscópio baixo custo acelerómetros triaxiais bússola digital

link rádio ethernet

Projectos Projectos

Aquisição de Imagens Interface gráfica

Seguidor

Aplica

Aplica ç ç ão de sistemas ão de sistemas de navega

de navega ç ç ão global por sat ão global por sat é é lite lite

em em ve ve í í culos culos aut aut ó ó nomos nomos

Análise do bloco de navegação Sensores

Sensores absolutos

GNSS(Sistema de Navegação Global por Satélite )

Fusão dos dados e correcção

Caracterização das aplicações do GNSS

Aplicações de GNSS em veículos autónomos

Sumário

O O desafio desafio da da navega navega ç ç ão ão num num ve ve í í culo culo aut aut ó ó nomo nomo

A navegação de um veículo autónomo, em paralelo com o controlo assume um papel estruturante no desempenho deste tipo de veículos.

-> Exactidão e precisão -> Disponibilidade

-> Confiabilidade

-> Redundância

-> Integridade

Vari Vari á á veis veis de de navega navega ç ç ão ão

•-> Posição

•-> Velocidade (dx/dt)

•-> Aceleração (dv/dt)

•-> Atitude

Sensores

Sensores de de navega navega ç ç ão ão

“Dead reckoning” ( de integração )

hodometria acelerómetro giroscopio, ...

Relativos

visão lazers

sonares, ....

Absolutos

GNSS (GPS, GLONASS, Galileu) Compasso magnético

Gyrocompass, ...

acelerómetro

Receptor GPS

Antena GPS INS (Sistema de navegação Inercial )

Sensores

Sensores de de navega navega ç ç ão ão ( ( caracteriza caracteriza ç ç ão ão ) )

Evolução temporal da precisão do sistema GNSS versos INS, para o grupo de variáveis referidas( posição )

INS:

baixa exactidão ao longo prazo posicionamento relativo

GNSS:

baixa taxa de amostragem alta exactidão

posicionamento absoluto

O O sistema sistema GNSS ( GNSS ( Principio Principio b b á á sico sico ) )

B i

i i

i

X X Y Y Z Z ct

PR = ( − )

+ ( − )

+ ( − )

+

O O sistema sistema GNSS ( GNSS ( Principio Principio b b á á sico sico ) )

Distância

Fase do código da portadora (Pseudo-distância) Fase da portadora (numero de ciclos)

Velocidade

Efeito de Doppler

Fase da portadora Fase do Código

Erros

Erros associados associados as as medidas medidas dos dos GNSS GNSS

16 - 32 m Total=Erro x PDOP( valor tipico 2 a 4)

4.5 - 8.1 m Erro RMS

0.5 - 1.5 m Ruído na medida

0 - 2.5 m Multi caminho

4.0 - 5.0 m Ionosfera

0.5 - 1.5 m Troposfera

2.8 - 5.4 Efemérides

Erro tipico (1 ) Fontes de erro

Erros típicos na pseudo-medidas do sistema

Solu Solu ç ç ões ões existentes existentes nos nos GNSS GNSS para para a a correc correc ç ç ão ão

Solução 1 -

Solução 2 -

Solução 3 -

- Uso de 2 ou mais portadoras (frequências diferentes) - Correcção diferencial ou diferenças simples

- Métodos diferenças duplas

Caracteriza

Caracteriza ç ç ão ão dos dos sistemas sistemas de de Posicionamento

Posicionamento baseados baseados em em GNSS GNSS

-> Exactidão -> Precisão -> Latência

->Taxa de amostragem

Sistemas

Sistemas GNSS GNSS disponiveis disponiveis

-> GPS convencional -> DGPS convencional

-> WADGPS (WAAS EGNOS ...)

-> DGPS convencional + filtro Hatch -> RTK-GPS

-> Pós-Processamento

Fase da portadora

Fase do código

Caracteriza

Caracteriza ç ç ão ão do do valor valor da da exactidão exactidão (GNSS)

(GNSS)

1 Até 5 cm RTK

1mm até 2 cm Pós - Processamento

0.5 até 3m DGPS

12-15 m GPS (SA desactivado)

50-l00 m GPS (SA activo)

Exactidão

Sistema

Fusão dos dados e correcção

•Maior exactidão e precisão

•Mais Disponibilidade

•Mais Confiabilidade

•Redundância

•Maior Integridade

Considerando um veículo autónomo equipado com

sensores relativos e de integração, a adição de um

sistema de GNSS a esse mesmo veículo, implica:

Fusão típica dos dados INS e GPS

Fusão dos dados e correcção

Aplica

Aplica ç ç ões ões do GNSS do GNSS

“Robots Behind the Wheel”

Brendan Watts, Steve Neads

“Future Drivers: Autonomy,

Intelligence in Robot Competition”

Bearcat III

GPS Navigation Challenge,

Aplica

Aplica ç ç ões ões do GNSS do GNSS

“Seeing the Road Ahead”

GPS(RTK)/DR GPS/DR DR

GPS(RTK) GPS

Stephen Scott-Young

“Programming Interface Takes Application Inside GPS”

Kim Deimert, Rob Mailler

Aplica

Aplica ç ç ões ões do GNSS do GNSS

Projecto FALCOS

LSA Contactos:

André Bianchi andre.bianchi@lsa.isep.ipp.pt Filipe Santos filipe@lsa.isep.ipp.pt

Domingos Bento dbento@lsa.isep.ipp.pt Alfredo Martins amartins@dee.isep.ipp.pt Eduardo Silva eaps@dee.isep.ipp.pt José Almeida jma@dee.isep.ipp.pt

SITE: http://www.lsa.isep.ipp.pt

SITE: http://www.lsa.isep.ipp.pt

Sub Sub - - projectos projectos em em curso curso

Controlo do motor de combustão Controlo do motor de combustão

Caracterização do motor

Sistema de medição de rpm (óptico) Controlo de velocidade do motor

Sistema de controlo de servomecanismos e comutação de comando Sistema de controlo de servomecanismos e comutação de comando

Geração do PWM para cada servo Interface com o PC de bordo

Comutação do controlo rádio para vôo autónomo

Mecanismo de segurança de vôo (perda de sinal rádio ou falhas)

Sub Sub - - projectos projectos em em curso curso

Sistema de manutenção de link rádio Sistema de manutenção de link rádio

“Pan & Tilt” para orientação de antena direccional Orientação da antena para o avião

Estação GPS em terra e envio de correções diferenciais

Sensor de detecção de focos de calor Sensor de detecção de focos de calor

Sistema de aquisição de imagem (CCD e câmaras standard)

Detecção por análise de imagem visivel e imagem infra-vermelha Baixo custo

Estado

Estado do do projecto projecto

Testes de vôo realizados com o protótipo

Recolha de imagens a bordo, com o vôo preliminar

Sistema preliminar de comutação de comando desenvolvido Sistema de navegação GPS em execução

Desenvolvida placa de geração de PWM para os servos com interface ISA

Testes preliminares de sensores de navegação (acelerómetros, sensores de pressão e giroscópios)

Estudo de filtragem na recolha de imagem para determinação de

fontes de calor

Perspectivas

Perspectivas futuras futuras

Testes de vôo com recolha de imagens de fogo (visivel e “near IR”) Integração do sistema GPS no protótipo

Integração dos sensores de navegação e recolha de dados Modelização do veículo

Desenvolvimento do sistema de controlo e navegação Desenvolvimento de interface de controlo e operação Missões com vôo parcialmente autónomo

Descolagem autónoma Aterragem autónoma