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SISTEMA DE CONTROLO E COMUNICAÇÕES DE UMA AERONAVE NÃO TRIPULADA

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Academic year: 2021

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SISTEMA DE CONTROLO E COMUNICAÇÕES DE UMA AERONAVE

NÃO TRIPULADA – SKYGU@RDIAN

S. Faria, P. Assunção, N. Rodrigues, L. Mendes, C. Ribeiro, P. Ventura, S. Silva, C. Lopes, C. Silva, J. Pereira, L. Nero

Instituto Politécnico de Leiria - Escola Superior de Tecnologia e Gestão Telf. 244820300, Fax. 244820310

sfaria@estg.ipleiria.pt

Resumo: Neste artigo é apresentado o sistema de controlo e comunicações

desenvolvido para equipar uma aeronave não tripulada, que está a ser desenvolvida em consórcio pela Escola Superior de Tecnologia e Gestão de Leiria (ESTG-Leiria), Universidade da Beira Interior (UBI) e a empresa Plasdan da Marinha Grande. Este sistema encontra-se dividido em vários módulos funcionais, nomeadamente: aquisição de dados atmosféricos e relativos ao posicionamento da aeronave, sistema de controlo da aeronave, aquisição e compressão de imagens frontais e da superfície terrestre, empacotamento dos dados, protecção e modulação digital da informação, ligação bidireccional com a estação terrestre. Esta, por sua vez, possui capacidades de visualização em tempo real dos dados adquiridos e interacção com a aeronave. O módulo de aquisição de dados está ligado a um conjunto de sensores que recolhem informação em tempo real sobre as condições atmosféricas, posicionamento da aeronave, velocidade, altitude, etc. Esta informação é adquirida e tratada por um processador, que controla localmente os servomotores da aeronave, de acordo com algoritmos desenvolvidos para efectuar a navegação de uma forma autónoma. Este mesmo processador pode encaminhar a informação sensorial para uma estação terrestre e receber desta indicações para modificar trajectórias previamente definidas e também para comutar para um modo de comando manual. © 2003.

Palavras Chave: aeronave, controlo, comunicações, voo autónomo.

1. INTRODUÇÃO - SISTEMA GLOBAL DE CONTROLO E COMUNICAÇÕES O sistema de controlo e comunicações da aeronave (UAV - Unmanned Aerial Vehicle) encontra-se dividido em vários módulos funcionais (fig.1), nomeadamente: módulo de controlo e aquisição de dados atmosféricos e dados relativos ao posicionamento da aeronave, módulo de aquisição e processamento de imagens (frontais e da superfície terrestre), formatação e modulação de dados, e módulo de comunicação que efectua a ligação bidireccional com a estação terrestre. A estação terrestre estabelece o interface com o utilizador e possui capacidades de interacção com a aeronave, ao ponto de poder modificar a trajectória definida.

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2. MÓDULO DE CONTROLO E AQUISIÇÃO DE DADOS

Este módulo recolhe informação em tempo real de um conjunto de sensores sobre as condições atmosféricas, posicionamento da aeronave, velocidade, altitude, etc. Esta informação é recebida e tratada por um processador, que controla localmente os servomotores da aeronave, de acordo com algoritmos desenvolvidos para efectuar a navegação de uma forma autónoma e estável. Este mesmo processador pode encaminhar a informação sensorial para uma estação terrestre, receber desta indicações para modificar trajectórias previamente definidas e também para comutar para um modo de comando manual.

O módulo de controlo e aquisição de dados, fig. 2, é composto por duas partes, uma de hardware e outra de software, sendo responsável por dotar o UAV com a capacidade de voar autonomamente. Ao nível do hardware, integram-se todos os sistemas sensoriais necessários, os actuadores para movimentação dos comandos mecânicos e um elemento controlador central. O

software consiste num conjunto de rotinas de interface com os sensores e com os actuadores, de

comunicação, de controlo de estabilidade da aeronave e também de navegação.

Temperatura Humidade Relativa Pressão Atmosférica Acelerómetro Tri-Axial Giroscópio Tri-Axial Tubo “Pitot” Bússola Digital Receptor GPS RS232 Switch Radar Altimétrico Temperatura do Motor Nível Combustível Velocidade Rotação 2 Select Fonte de Alimentação 9 - 18 Vdc +5V +12V-12V RS232 Modem MOTOROLA MPC555 32Bit CPU @40MHz 448 kB Flash ROM Placa Controladora SS555 BDM Debugger Ignição do Motor Pára-Quedas (Emergência) Servomotores 8

Figura. 2. Diagrama de blocos do módulo de controlo e aquisição de dados.

De entre os sistemas sensoriais, destacam-se o receptor de GPS, a bússola digital e a plataforma acelerométrica/giroscópica. O receptor de GPS fornece a informação em tempo real sobre a localização geográfica, direcção de voo e velocidade da aeronave relativamente ao solo. A bússola digital, através da medição do campo magnético terrestre segundo três eixos (x, y e z), permite determinar a posição da aeronave relativamente aos seus três eixos de referência: rolamento (roll), arfagem (pitch) e guinada (yaw). A conjugação do acelerómetro e do giroscópio tri-axiais, permite medir as acelerações lineares e as velocidades de rotação segundo os três eixos de referência da aeronave, informação fundamental para o controlo da sua estabilidade. Quanto aos actuadores, é de referir os servomotores, por meio dos quais são feitos os accionamentos electromecânicos dos lemes da aeronave.

O controlador central consiste numa placa baseada num microprocessador de 32 bits, a 40 MHz, (Motorola MPC555), dotada de um elevado número de portos de entrada/saída analógicos e digitais, saídas para comando de servomotores e portos de comunicação (Intec, 2000; Motorola, 2000). Esta unidade faz a aquisição e o processamento de toda a informação sensorial disponível

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e, baseando-se em algoritmos de controlo e de navegação programados, envia comandos aos actuadores, para que a aeronave voe com estabilidade e cumpra os planos de voo. Além disso, permite ainda adquirir novos planos de voo, a partir de uma estação do solo; encaminhar informação sensorial para estações de solo (informação das condições atmosféricas, localização da aeronave, nível de combustível, direcção do voo); e comutar para um modo de comando manual, em que a aeronave possa ser controlada remotamente.

3. AQUISIÇÃO DE IMAGENS E PROCESSAMENTO

Este módulo divide-se em duas partes: a aquisição de imagens, que é efectuada por dois sensores CMOS e um compressor JPEG (Pennebaker et al, 1993); e um Processador Digital de Sinais (DSP) (Dahnoun, 2000). A aquisição de imagens é feita pelos dois sensores CMOS, colocados na parte anterior da aeronave direccionados para a frente e para baixo, respectivamente. Os dados digitalizados das imagens são encaminhados para o compressor JPEG, onde são comprimidos numa cadeia de bits no formato JPEG. Os registos de configuração de ambos os circuitos são programados pelo DSP durante a fase de inicialização do sistema.

O módulo de processamento será integrado no UAV e na estação base de forma a permitir a transmissão bidireccional de informação: dados de controlo no sentido ascendente, dados de aquisição sensorial e imagens no sentido descendente. No UAV, este DSP recebe as imagens e a informação do Módulo de Controlo e Aquisição de Dados, empacota os dados respectivos e protege-os contra erros de transmissão. Estes dados por sua vez são modulados digitalmente e enviados ao Módulo de Comunicação. O mesmo DSP efectua também as operações inversas (desmodulação, correcção de erros, etc.) com a informação proveniente da estação terrestre. O interface com o Módulo de Comunicação, quer no UAV quer na Estação Terrestre, funciona em frequência intermédia (IF), centrado nos 15kHz, transferindo sinais modulados e codificados, preparados para serem transferidos para a frequência de transmissão (Haykin, 1994). A comunicação com o Módulo de Controlo e Aquisição de Dados é realizada através de um interface RS-232, com um débito de 4800bps. Na estação terrestre, o módulo disponibiliza um interface RS-232 para a componente de controlo de voo, a operar a 115kbps.

Figura 3– Diagrama de blocos do desmodulador e modulador QAM.

O sistema recorre a um esquema de modulação em quadratura (QAM) (Xiong, 2000) multi-nível para maximizar a capacidade de transmissão do canal disponibilizado, que possui uma largura de banda reduzida. O diagrama de blocos genérico do receptor e do transmissor é apresentado na fig. 3. A nível lógico este sistema disponibiliza dois protocolos para a transferência de informação. O protocolo fiável tem por objectivo transferir a informação sensorial e de controlo, prevendo a possibilidade de retransmissão caso ocorram erros na comunicação. A transferência das imagens de ambas as câmaras recorre a um protocolo de transferência não-fiável que não prevê a retransmissão em caso de erro.

Σ P(t) Ts ) cos(nωst 2 π S/P P(t) Ts mI(t) yI(t) yQ(t) mQ(t) m(t) yQAM(t) P(t) Ts ) cos(nωst 2 π P(t) Ts mI(t) mQ(t) yQAM(t)

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4. MÓDULO DE COMUNICAÇÃO

O sistema de comunicação do UAV, onde está inserido o transceptor de rádio-frequência (RF), tem como função estabelecer e manter a comunicação bidireccional entre o UAV e a estação de solo num raio máximo de 50km. A limitação da potência de sinal, legalmente imposta nesta banda, poderá constituir um dos principais factores limitativos do raio de acção da aeronave. No entanto, este problema poderá ser resolvido utilizando antenas retransmissoras ou usando outras bandas de frequência para a comunicação.

Antena Filtro Sinal de RF (entrada/saída) Sinais de controlo Sinal IF de entrada Sinal IF de saída Up-converter 90º 90º + 90º 90º + Down-converter (vindo do DSP) (para o DSP) Oscilador Sintetizador ×2

Figura 4 - Diagrama de blocos geral do transceptor de RF.

O transceptor de RF, descrito pelo diagrama de blocos da figura 4, funciona na gama de frequências dos 456MHz aos 459MHz, tendo como largura de banda e potência de transmissão máximas 12kHz e 20dBm, respectivamente. Estes valores estão dentro da gama de valores definidos pela Autoridade Nacional de Comunicações (ANACOM). O transceptor pode ser sub-dividido, consoante as funcionalidades, em três sub-sistemas: up-converter, down-converter e oscilador local.

O up-converter transfere o sinal de frequência intermédia (IF), centrado nos 15kHz, proveniente do processador digital de sinal (DSP), para uma frequência central situada entre os 456MHz e os 459MHz. A arquitectura escolhida para o conversor de frequência é baseada no método do desfasamento, a qual permite realizar a conversão de frequência IF para RF de forma directa. Na implementação do up-converter, teve-se especial atenção ao isolamento entre o oscilador local (LO) e a saída do conversor de frequência, à rejeição da banda lateral inferior na saída do conversor de frequência e à eliminação de harmónicos, produtos de intermodulação e espúrias na saída de RF, pois podem interferir no funcionamento de outros sistemas de comunicação sem fios.

O down-converter desloca o sinal de entrada RF para a frequência IF do sistema (15kHz). A arquitectura do down-converter baseia-se num conversor de frequência com rejeição de imagem. Esta arquitectura permite converter directamente o sinal de RF para IF, rejeitando a frequência imagem, sem necessidade de andares intermédios e de um filtro de sintonia variável de RF de elevado factor de qualidade. Este sub-sistema, além do conversor de frequência, é constituído também por amplificadores, filtros de RF e um controlo automático de ganho a funcionarem na frequência IF.

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O oscilador local, responsável por gerar a portadora para o up-converter e para o down-converter, é formado por um oscilador controlado por tensão, um sintetizador de frequência, amplificadores e filtros de RF. A arquitectura adoptada permite controlar digitalmente a frequência de operação do transceptor. Neste sub-sistema foi prestada especial atenção à estabilidade, ao ruído de fase e à eliminação dos harmónicos do oscilador sintetizado. O controlo do modo de funcionamento do transceptor (transmissão ou recepção) e a sintonia do oscilador local são feitos por intermédio de um DSP.

5. MÓDULO DE COMANDO E VISUALIZAÇÃO

O último elo de ligação com o operador do UAV é uma interface que simula o cockpit de um avião. Trata-se de uma interface que apresenta em tempo real todas as informações oriundas dos sensores instalados na aeronave, já detalhados em secções anteriores, dando maior relevância aos que são considerados mais importantes para a navegação. Entre estes valores encontram-se a velocidade do UAV em relação ao ar, a localização dada pelo GPS e obviamente as imagens das câmaras instaladas no UAV, que se podem revelar de extrema importância não só para a navegação, mas também noutras aplicações mais específicas. O interface foi desenvolvido em

LabView e está representado na fig. 5. A escolha da linguagem de programação gráfica LabView

(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) assentou no facto de esta se ter afirmado como um software standard para aquisição de dados e controlo de instrumentos devido à sua potencialidade e flexibilidade, (NI, 1998). A informação sensorial e as imagens são recebidas através da porta série do computador a uma taxa configurável (máximo de 115 kbps), e segundo os protocolos definidos na secção 3, de forma a garantir a plena interpretabilidade dos dados.

Figura 5 - Interface da estação terrestre.

Além de permitir o acesso ao operador da estação base, o sistema desenvolvido disponibiliza a informação a outros observadores, através de uma Applet Java que, uma vez instalada num

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servidor Web, permite o acesso a partir de qualquer ponto em tempo real. Este acesso é efectuado via IP sendo possível a configuração quer do endereço IP quer do número de clientes admissível. De forma a permitir a consulta e análise dos dados recolhidos num determinado voo, os dados que vão sendo obtidos pela estação terrestre são salvaguardados numa base de dados. O modelo de armazenamento assenta numa tecnologia simples e de fácil utilização - o MySQL. O MySql é um servidor de Base de Dados que trabalha sob a linguagem SQL (Structured Query Language), linguagem de consulta estruturada. Esta linguagem permite manipular qualquer propriedade numa base de dados, desde a construção da própria base de dados como consultas e alterações a permissões de acesso a estas. Para permitir o acesso à base de dados, nomeadamente à informação relativa a cada voo anterior e de forma a analisar ou detectar alguma situação anómala num determinado voo, foi também desenvolvida uma página WEB em PHP (Hypertext

Preprocessor).

O sistema foi projectado de forma a permitir a interacção com o UAV, bastando para tal enviar ao módulo de processamento, via RS-232, comandos manuais de controlo de voo. A visualização da trajectória efectuada pelo UAV pode ser representada através das coordenadas GPS num mapa 2D ou eventualmente 3D tornando mais intuitiva a navegação.

CONCLUSÃO

O sistema descrito visa o controlo de um UAV e o estabelecimento de comunicações com uma estação terrestre que permite a monitorização de dados recolhidos através de um sistema sensorial instalado na aeronave. O SkyGu@dian incorpora um modo de operação automática e um modo de controlo manual a partir de um operador no solo. O primeiro modo está perfeitamente adequado a tarefas como a vigilância de florestas, para prevenção de incêndios, ou a vigilância de costas marítimas para prevenção de naufrágios. O segundo modo de controlo será direccionado para tarefas mais específicas, como é o caso da vigilância remota de terrenos ou vias rodoviárias. O sistema está preparado não só para aplicações relacionadas com aquisição de imagens aéreas, mas também para efectuar medições de parâmetros atmosféricos, tais como temperatura, humidade e velocidade do vento. Além disso, permite ainda a recepção, armazenamento e processamento das informações recolhidas na estação terrestre, que por sua vez também disponibiliza numa página WEB, em tempo real, toda a informação relevante.

REFERÊNCIAS

Intec (2000), SS555-DK Installation and Quick Start Manual, Intec Automation Inc. Motorola (2000), MPC556/MPC556 User´s Manual.

Pennebaker, William B., Joan L. Mitchell (1993), JPEG Still Image Data Compression

Standard, Chapman & Hall, New York.

Dahnoun, Naim (2000), Digital signal processing implementation using the TMS320C6000 DSP

platform, Prentice Hall, Harlow.

Haykin, Simon (1994), Communication Systems, John Wiley & Sons, New York. Xiong, Fuqin (2000), Digital Modulation Techniques, Artech House, Boston. NI (1998), Labview Advanced Course Manual (1998), National Instruments.

Referências

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