Plataforma de Testes de Voo Múltiplo para Dirigíveis Robóticos

Plataforma de Testes de Voo Múltiplo para Dirigíveis Robóticos

Alberto Torres Angonese, Vinicius Prado, Raphael da Silva Teixeira, Paulo Fernando Ferreira Rosa

Instituto Militar de Engenharia Pç.General Tibúrcio, 80 - Rio de Janeiro, Brasil

angonesealberto@gmail.com, vncprado@gmail.com, raphael.teixeira@gmail.com, rpauloime@gmail.com

Resumo O presente artigo tem o objetivo de descrever uma plataforma de testes para voo múltiplo. A plataforma apresentada é composta por dois Dirigíveis Robóticos não Tripulados para utilização indoor, controlados por uma Estação de Controle em Solo com funcionalidades de voo múltiplo. Além da descrição da modelagem aerodinâmica e aerostática da plataforma, o trabalho também detalha o hardware utilizado para controle e telemetria wireless da aeronave. Apresentamos a plataforma de comunicação wireless ZigBee (IEEE 802.15.4) que será utilizada para telemetria e controle da atitude do dirigível.

Este trabalho também propõe a adaptação de uma Estação de Controle em Solo (ECS) que proporcionará suporte à comunicação e controle das aeronaves. O sistema ECS baseia-se em uma modelagem de agentes e integra-se com o piloto automático embarcado nas aeronaves, para controle de voo e navegação, implementando funcionalidades de voo múltiplo.

Palavras-Chave Voo Múltiplo, Dirigível Robótico, Telemetria ZigBee / XBee.

I. INTRODUÇÃO

O presente trabalho tem o objetivo de descrever uma

plataforma de testes de voo múltiplo para VANTs (Veículos Aéreos Não Tripulados).

A plataforma utiliza dois dirigíveis robóticos não tripulados indoors que são controlados por uma ECS com funcionalidades de voo múltiplo. Neste trabalho, são descritas as modelagens aerodinâmicas e aerostáticas da plataforma e é apresentada a plataforma ZigBee (IEEE 802.15.4) como um sistema de telemetria e controle da atitude do dirigível. O trabalho proposto, consiste na adaptação de uma Estação de Controle de Solo (ECS), que além do suporte à comunicação, controle e navegação das aeronaves, implementa funcionalidades de voo múltiplo, especificamente, voo em formação e desvio de VANTs em rota de colisão.

A presente plataforma se apresenta também como uma contribuição aos trabalhos desenvolvidos no projeto VANT do Instituto Militar de Engenharia. Dentre os quais relaciona-se o de Pinheiro [16] que modelou um sistema para uma frota de dirigíveis autônomos não tripulados (DANTs), por meio de técnicas de engenharia de sistemas multi agentes (multiagent system engineering - MaSE), chegando a um modelo no qual os componentes da frota são mapeados em modelos de agentes. Maróquio em [11] implementou um simulador para dirigíveis autônomos não tripulados (DANTs), como continuidade do trabalho de Pinheiro. Vidal

[18], implementou um sistema de navegação baseado em visão para múltiplos dirigíveis autônomos. E mais recentemente em 2010, foi desenvolvido um dispositivo para aquisição e processamento de dados para um sistema de navegação inercial, cuja utilização obteve bastante êxito nas operações de monitoramento do desastre ocorrido em dezembro de 2010 na região serrana do RJ,[15].

Este artigo está organizado da seguinte forma: Na seção 2 descrevemos a plataforma, detalhando a modelagem aerodinâmica e aerostática. Na seção 3 fazemos uma descrição do hardware e software utilizado na aeronave. Na seção 4 apresentamos a plataforma ZigBee (IEEE 802.15.4) como recurso para comunicação e controle wireless da atitude do dirigível. Na seção 5 descrevemos os experimentos e apresentamos os resultados obtidos. Na seção 6 apresentamos as próximas fases de utilização da plataforma proposta e por fim na seção 7 as conclusões obtidas.

II. APRESENTAÇÃO DA PLATAFORMA

Uma visão geral do sistema pode ser visto da Fig.1.

1) A Estação de Controle em Solo

A ECS controlará a principio uma aeronave, agregando

funcionalidades básicas para implementação do voo autônomo, que podem ser resumidas em:

Sistema de Navegação:

• Controle e estabilização de voo • Decolagem e pouso automáticos • Plano de missão por waypoint (coordenadas de

navegação) Sistema de Comunicação:

• Estabelece padrão de interoperabilidade • Troca de dados em tempo real por telemetria

wireless (Xbee) As funcionalidades de voo colaborativo, propostas para múltiplos VANTs, são:

• Sistema de desvio de VANTs em rota de colisão • Voo em formação

Alguns sistemas de código aberto estão sendo utilizados como base para implementação das funcionalidades básicas da estação em solo. Dentre eles destacam-se:

• APM Mission Planner (baseado em Wiring) [3]. • HappyKilmore (baseado em C/ C++) [12]. • QGroundControl (baseado em C/C++ e QT) [14] • Paparazzi (baseado em C/ C++) [6]. • UAV Playground (baseado em Java) [8].

A modelagem das funcionalidades de voo múltiplo utiliza

a plataforma JASON para implementação dos agentes.

2) O Dirigível

A plataforma proposta é composta por um dirigível indoor, de estrutura não rígida. (Fig. 2).

O sistema de controle é composto por uma gôndola com

dois motores acoplados a uma barra transversal que movimenta-se em ângulos de 90 graus em relação ao plano X (longitudinal) e Z (vertical), proporcionando pouso e decolagem vertical (VTOL) e o voo horizontal (frontal e distal), pela reversão da rotação das hélices.

O envelope de contenção do gás de sustentação (mais leve

que o ar), é de um material poliuretano de boa resistência e pouca porosidade.

Apresenta um volume de 3 m3 e dimensões conforme representado na figura 3.

Fig. 1. Estação de Controle em Solo (Visão Geral).

Fig. 2. Dirigível.

Fig. 3. Dimensões do dirigível.

2) Aerodinâmica Apesar das características aerodinâmicas dos dirigíveis

não terem modificado fundamentalmente desde os primeiros dirigíveis, segundo [9] um entendimento da modelagem dinâmica permite o desenvolvimento de estruturas de controle mais eficientes. Neste contexto, os avanços mais significativos se deram em estudos da forma do envelope, mecanismos de controle e propulsão e sistemas de controle eletrônico de voo. Uma descrição detalhada da dinâmica de voo do dirigível pode ser verificada em [9].

Segundo Alcácer [1], para uma simplificação da análise

da dinâmica, estabilidade e controle de movimentação da aeronave é assumimos que está em equilíbrio estático em relação a um referencial fixo. Como representado em [1], assumimos a existência de dois referências. O referencial f, fixo ao plano do solo e o referencial b, móvel em relação ao referencial f, e fixo ao corpo do dirigível. Os eixos x, y, z, são coincidentes com seus principais eixos de inércia e com o centro de gravidade do dirigível, como representado na Fig.4.

O sistema de coordenadas assumido, descreve uma representação de 6 graus de liberdade (6-dof). As três primeiras coordenadas e suas derivadas temporais, correspondem à posição e movimento translacional do dirigível ao longo dos eixos x, y e z, enquanto que as três últimas, e suas derivadas temporais, representam sua orientação e movimento de rotação.O referencial f, fixo ao plano do solo e o referencial b, móvel em relação.

Apesar da disposição possuir 6-dof, as limitações do

controle e de movimentação da plataforma proposta permitem, a utilização de menos entradas do que os graus de liberdade oferecem, como por exemplo o movimento ao longo do eixo y (arfagem), ou o rotação em torno de x (rolagem).

TABELA I GRAUS DE LIBERDADE DO SISTEMA

DOF Movimento e

Rotação Forças e

Momentos Vel. Linear e Angular

Posição e Ângulos de

Euler 1 2 3

x (avanço) y (deriva)

z(afundamento)

X Y Z

u v w

x y z

4 5 6

x (rolagem) y (arfagem) z(guinada)

K M N

p q r

ϕ

ϴ

ψ

3) Aerostática

Em se tratando de uma aeronave caracterizada como mais

leve que o ar, um bom entendimento de como e porque uma aeronave consegue flutuar no ar é essencial para o desenvolvimento de controle estável e robusto [9].

O termo aerostático se refere à sustentação estática de qualquer corpo imerso na atmosfera, da mesma forma que a hidrostática descreve o mesmo efeito na água. O que possibilita a capacidade de sustentação estática dos dirigíveis é o gás que está contido no envelope ser mais leve que ar, normalmente hidrogênio ou hélio.

O gás de sustentação adotado em nossa proposta é o hélio, por ser mais seguro e apresentar melhor desempenho que o hidrogênio. Apesar de ser vendido em sua forma pura, provavelmente o gás hélio utilizado não será 100 % puro, porque além de conter impurezas do ar a porosidade do material do envelope irá permitir a "contaminação" de ar com o passar do tempo, portanto devemos levar isso em consideração. Para calcular a densidade de impureza do hélio, segundo os padrões internacionais atmosféricos a nível do mar (ISA SL), utiliza-se a seguinte fórmula:

pg = k . 0,169 +(1-k) . 1.225)

onde, 1,225 é a densidade do ar e 0,169 é a densidade do

hélio 100% puro segundo ISA SL e k é o percentual de pureza do hélio,(e.g. utilizado se o hélio a 95% puro, k = 0,95)

A força de sustentação estática pode se calculada pela seguinte fórmula:

L = V . pn

onde, L é a força de sustentação (Lift), V é o volume do

gás de sustentação e pn = pa - pg "densidade do ar (pa)

menos densidade do gás contido no envelope(pg)" Em nossa abordagem assumimos que o dirigível deve

atingir um ponto de flutuabilidade neutra neutral Buoyancy

(Bn), i.e. o volume de hélio contido no interior do envelope deve ser suficiente para elevar e manter em sustentação estática a carga paga do sistema, Wairship, que em nossa plataforma é de aproximadamente 3 Kg, considerando o peso do envelope e da gôndola. Qualquer ganho ou perda de altitude será obtido pelo acionamento dos motores. Esta relação é obtida por:

Bn = Wairship - L

Fig. 4. Sistema de coordenadas adaptado de [1]

3) Atuadores da Gôndola

A gôndola do dirigível possui dois motores acoplados à uma barra transversal que movimenta-se em ângulos de 90 graus em relação ao plano X (longitudinal) e Z (vertical), proporcionando o pouso e decolagem vertical (VTOL) e o voo horizontal, frontal e distal, pela reversão da rotação das hélices (Fig.5).

III. HARDWARE E SOFTWARE

O hardware utilizado é dividido em dois módulos, como mostra a Fig. 7:

• módulo embarcado na gôndola • módulo em solo

O módulo embarcado (Fig.8) na gôndola é composto por uma placa controladora Arduino Uno, um shield de controle dos motores, um servo motor para vetorização da barra transversal e o XBee para controle e telemetria.

O Arduino é uma placa microcontroladora baseada no Atmega328 com 16MHz. Apresenta um baixo consumo de energia. O shield de controle de motores nada mais é que um circuito ponte H, implementado pelo chip L298 da Texas Instruments. A função deste componente é a reversão do giro do motor das hélices para o voo vertical (decolagem e pouso) e horizontal (frontal e distal). O servo motor é do padrão futaba e está conectado à barra transversal por um link, cuja movimentação posiciona a barra transversal e consequentemente os motores nos ângulos de 90 e 0 graus.

O módulo em solo (Fig.9), é composto também por um

Arduino Uno conectado a um shield para conexão do XBee, que é responsável pelo controle e telemetria do dirigível. Ao conjunto Arduino - XBee do modulo em solo, conecta-se um controle Wii Nunchuck, que é o responsável pelo envio dos parâmetros de controle da aeronave.

A prototipação deste controle foi somente para os testes

de dinâmica de voo, estabilização e sustentação aerostática do dirigível e para testes de telemetria utilizando o rádio XBee. Por esse motivo e por razões de simplicidade e desempenho optou-se pela implementação do sistema de controle em malha aberta. Para a implementação das funcionalidades de voo múltiplo da ECS, utilizamos soluções de piloto automático.

Por se tratar de um sistema de ciclo fechado o piloto automático é estruturado em duas partes principais: um observador de estados e o controlador. O observador de estados mais utilizado é a unidade de medida inercial que é composta por giroscópios, acelerômetros e sensores magnéticos. Este conjunto de sensores é combinado com o sistema de posicionamento global (GPS).

Fig. 5. Representação frontal da gôndola.

Fig. 6. Gôndola do dirigível.

Fig. 6. Módulo embarcado

Fig. 7. Módulo em solo

A prototipação do módulo do piloto automático,

embarcado na gôndola, utiliza a placa Ardupilot Mega, projetada por Chris Anderson e Jordi Muñoz [3] da empresa DIY Drones.(Fig.9). A placa baseia-se no microcontrolador Atmega1280 e utiliza para integração dos sensores proprioceptivos uma IMU (unidade de medida inercial), bem como um módulo de GPS, um magnetômetro e o sistema de telemetria que utiliza o padrão XBee. O piloto automático proporciona estabilização e navegação, permitindo o modo de voo, completamente autônomo, semi-autônomo, ou manual. No sistema semi-autônomo, ou fly by wire, a estabilização da aeronave é autônoma e o controle da atitude é feito manualmente por rádio(XBee), possibilitando um voo mais fácil e seguro.

A placa é composta pelos seguintes componentes: • Giroscópio (3 eixos) • Acelerômetro (3 eixos) • Sensor de pressão barométrica de altitude • Módulo GPS de 10Hz • Magnetômetro (3 eixos) • Sensor de velocidade • Sistema de Telemetria baseado no XBee.

O módulo do controle em solo funciona integradamente a

um sistema ECS (Estação de Controle em Solo) que proporciona suporte à comunicação e controle das aeronaves. O sistema ECS baseia-se em uma modelagem de agentes e integra-se com o piloto automático embarcado nas aeronaves, para controle de voo e navegação do dirigível, implementando funcionalidades de voo múltiplo.

Foram realizados testes também, com solução proprietária

de piloto automático da empresa Eagle Tree Systems [5]. O Eagle Tree é uma solução proprietária e modular de um

sistema de piloto automático e telemetria de vídeo, que

apresenta um hardware robusto e estável, com uma aferição de leituras dos sensores bastante confiável. O sistema está sendo utilizado como a aviônica do VANT-Lanu do Instituto Militar de Engenharia. Os detalhes do experimento estão descritos na seção 5.

IV. PLATAFORMA ZIGBEE (IEEE 802.15.4) ZigBee é um conjunto de protocolos de comunicação

desenvolvido pela indústria na forma de um consórcio [13] que operam sobre as camadas MAC e PHY do padrão IEEE 802.15.4 de 2006 [7]. O intuito principal da ZigBee Alliance é desenvolver produtos comerciais utilizando as baixas taxas de transferências (250kbps) e o baixo consumo energético característicos do padrão 802.15.4. As principais aplicações esperadas da tecnologia estão na automação residencial, redes de sensores e localização [10].

No trabalho aqui apresentado, um conjunto de 2 rádios

XBee Series 2 PRO (R) da empresa Digi [4] estão sendo usados para comunicação entre o Dirigível e controle remoto (figura \ref{fig9}). Os rádios operam na faixa dos 2.4 GHz e alcançam distâncias que vão de 108 a 1335 metros dependendo da linha de visão (Line-of-Sight) [13]

Quando configurados de forma transparente (AT), os módulos simplesmente recebem dados pelo seu pino de entrada (DI) e os organiza para transmissão, de forma oposta quando recebida uma transmissão esta é repassada ao pino de saída (DO). No modo de operação API (application

programming interface), os dados são transmitidos em pacotes que excedem as funções do modo transparente oferecendo informações da rede e da entrega dos pacotes [4].

O Xbee (configurado de forma transparente) presente no dirigível, recebe caracteres de forma serial que repassados ao Arduino são interpretados como comandos para os motores da gôndola. No controle, os comandos recebidos pelo Nunchuck, são repassados ao XBee configurado em modo AP para serem transmitidos ao endereço configurado.

V. EXPERIMENTOS E RESULTADOS

Os experimentos foram realizados no Laboratório de

Robótica do Instituto Militar de Engenharia sob condições ISA a uma altitude de 3 metros do nível do mar em ambiente indoor.

1) Centro de Gravidade e Ponto de Flutuabilidade Neutra

Fig. 8. Estrutura do piloto automático.

Fig. 9. Ardupilot Mega.

Fig. 10. ZigBee (IEEE 802.15.4).

Os primeiros testes foram a obtenção do ponto de flutuabilidade neutra e do centro de gravidade do dirigível (figura \ref{fig11}). Para obtenção do ponto de flutuabilidade neutra inserimos aproximadamente 3m3 de hélio. Foi observado que o dirigível não flutuou imediatamente. Conforme observado na tabela II, adaptada de [9] verificamos que a capacidade de sustentação do hélio diminui, devido a pressão de altitude. Considerando que o Laboratório está localizado a 3 m3 do nível do mar tivemos que aumentar o volume de hélio para aproximadamente 4m3 aproximando-se do limite de pressão suportado pelo envelope. Neste ponto o dirigível flautou a uma altitude de 1m do piso do laboratório e se manteve em sustentação estática, Bn = 0

O resultado deste experimento demonstrou que a carga

paga do sistema está muito alta e deve ser reduzida para que possamos atingir altitudes maiores sem comprometer a estrutura do envelope.

O CG (centro de gravidade) foi obtido posicionando a gôndola de forma que a aeronave se mantivesse estaticamente alinhada com o eixo longitudinal X. Foi observado que, quando em movimento no eixo longitudinal, o dirigível assumiu uma leve variação, o que foi corrigido pela vetorização da barra transversal.

2) Intensidade do Sinal ZigBee

Em medidas feitas nos ambientes do IME, foram captadas a intensidade de sinal (RSSI) entre dois módulos colocados em diferentes distâncias. Segundo [4] a sensibilidade mínima dos módulos utilizados é de -100 dBm. Como pode ser observado no gráfico (Fig. 12), os valores para distâncias de 60 a 70 metros apresentaram -63.9 e -65.6 dBm de RSSI em média, o que foi visto como uma boa margem para trabalho de acordo com as necessidades do projeto. Medidas foram feitas entre os 4 andares do prédio apresentando valores de -63.9, -61.7 e -62.2 dBm de intensidade de sinal nos 3º, 2º e 1º andares respectivamente em relação com o térreo. Os valores aferidos no experimento já indicam a possibilidade do uso da intensidade do sinal como futuro trabalho em localização.

3) Integração de Estação em Solo com Piloto Automático

Foram realizados testes de integração entre a estação em solo [12] e a solução proprietária da empresa Eagle Tree Systems [5]. O Eagle Tree é uma solução proprietária e modular de um sistema de piloto automático e telemetria de vídeo, que apresenta um hardware robusto e estável, com uma aferição de leituras dos sensores bastante confiável. O sistema está sendo utilizado como a aviônica do VANT-Lanu do Instituto Militar de Engenharia. Apesar de proprietário o sistema EagleTree gera um arquivo de log em tempo real, contendo as leituras dos principais sensores que permitem o controle da aeronave. A partir deste arquivo foi desenvolvido, um script que converte os dados gerados pelo Eagle Tree, no padrão do protocolo Ardupilot utilizado pela ECS HappyKilmore, conforme pode ser observado na Fig.13

TABELA II CAPACIDADE DE ELEVAÇÃO DO GÁS(KG/1000M3)

Fig. 11. CG e flutuabilidade neutra.

Fig. 12. Intensidade do sinal recebido(dBm) versus distância(m).

VI. TRABALHOS FUTUROS Em virtude do custo de operacionalização da plataforma

para a realização dos testes será desenvolvido um ambiente simulado para implementação do sistema ECS. A proposta será integrar o Estação em solo ao simulador de voo XPlane, primeiramente funcionando em SIL (Software in the Loop) e posteriormente em HIL (hardware in the loop)

• ECS conectado diretamente ao XPlane (SIL). A

estação de solo controlará as aeronaves no ambiente simulado pelo XPlane. A conexão será serial ou por porta UDP sem a presença do piloto automático.

• ECS em HIL com o XPlane. Nesta etapa o piloto automático estará conectado em HIL (Hardware in

the Loop), funcionando ``entre'' a ECS e o simulador XPlane.

No ambiente simulado do XPlane, serão gerados arquivos

de log que alimentarão a Estação de Controle em Solo (ECS), para o controle das funções básicas de decolagem e pouso automáticos, estabilização de voo e planejamento de missões por waypoints. A partir das informações destes arquivos, agentes modelados em Jason fornecerão recursos para desvio de aeronaves em rota de colisão e voo em formação implementando funcionalidades de voo múltiplo.

VII. CONCLUSÕES

O principal objetivo deste trabalho foi apresentar a

infraestrutura de uma plataforma de testes de voo múltiplo para Veículos Aéreos não Tripulados.

Os pontos positivos detectados foram a eficiência do

módulo de telemetria XBee que demonstrou estabilidade e rapidez na detecção dos comandos emitidos pelo módulo em solo, possibilitando o controle estável da aeronave. Outro ponto favorável foram os testes de integração do piloto automático com a Estação de Controle em Solo, demonstrando a robustez da plataforma.

Os pontos negativos detectados, foram o custo elevado para operacionalização dos testes de voo do dirigível e a carga

paga do sistema que está muito alta. A proposta para a solução do custo será a implementação do ambiente simulado, já o problema da carga paga sera solucionado pela miniaturização do hardware embarcado na gôndola.

REFERÊNCIAS

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operações de salvamento (parte robótica)”, Master's thesis, Instituto Superior Técnico - Universidade Técnica de Lisboa.

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[5] Eagle Tree Systems: http://www.eagletreesystems.com/ (n.d.) [6] ENAC-University (2011). Projeto paparazzi:

http://paparazzi.enac.fr/wiki/main page. [7] IEEE (2006). Part 15.4: "Wireless medium access control (mac) and

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[8] Jaron (n.d.). Uav-playground:http://code.google.com/p/uavplayground/. [9] Khoury, G. A. and Gillet, J. D. (1999). "Airship Technology",

Cambridge Aerospace Series 10, Cambridge University Press. [10] Lopez, Y. A., de Cos Gomez, M. E., Alvarez, J. L. nd Andres, F. L.-H.

(2011). "Evaluation of an rss-based indoor location system, Sensors and Actuators" A: Physical 167(1): 110{116.

[11] Maroquio, R. B. (2007). "Simublimp - uma contribuição ao desenvolvimento de algoritmos inteligentes para uma equipe de dirigíveis robóticos autônomos", Master's thesis, Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro.

[12] Mather, P. (n.d.). Happykillmoregcs:

http://code.google.com/p/happykillmoregcs/. [13] Max (2005). XBee & XBee^aPRO OEM RF Module Antenna

Considerations. [14] Meier, L. (2011). Qgroudcontrol: http://qgroundcontrol.org/. [15] Neto, J. M. M., Rodrigues, L. R. L., Moreira, E. M., dos Santos, J. C. J.

and Rosa, P. F. F. (2011). "Uma missão de monitoramento para o projeto vant-ime: Operação região serrana - RJ", AutoSoft .

[16] Pinheiro, C. A. P. (2006). "Veículos aéreos autônomos não tripulados para monitoramento de ambientes desestruturados e comunicação de dados", Master's thesis, Instituto Militar deEngenharia, Rio de Janeiro.

[17] Sullivan, J. M. (2006). "Evolution or revolution? The rise of UAVs", IEEE Technology and Societ Magazine 25(3): 43{49

[18] Vidal, F. S. (2007)."Sistema de navegacão para dirigíveis aéreos não tripulados baseado em imagens", Master's thesis, Instituto Militar de Engenharia.

Fig. 13. Integração ECS HappyKilmore com o sistema Eagle Tree