Rastreamento e Telemetria de Veículos e Embarcações em Missões Estratégicas.

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1 Rastreamento e Telemetria e Veículos e Embarcações em Missões Estratégicas. Douglas Soares os Santos, Wagner Chiepa Cunha e Cairo L. Nascimento Jr. Instituto Tecnológico e Aeronáutica - Praça Marechal Euaro Gomes, São Jose os Campos - SP - Brazil Resumo Este trabalho apresenta uma solução para o controle geográfico e um veículo ou embarcação sobre uma trajetória planejaa. Os sistemas bási que constituem a solução, para o rastreamento e a telemetria, integram um sistema e posicionamento global (GPS), um computaor o tipo embarcao e um sistema e comunicação para transmissão e recepção e aos. No computaor e boro está esenhaa a solução computacional que verifica o ponto geográfico o objeto e calcula usano o plano e coorenaas esféricas se ele está entro a região elimitaa e pré-configuraa na missão enominaa e cerca eletrônica. O computaor e boro, caso ocorra a saía a cerca eletrônica, poerá interferir com aviso local, ativação e algum sub-sistema veicular e o envio os aos e posição irregular via transceptor. Palavras-Chave rastreamento, posicionamento global, cerca eletrônica. I. INTRODUÇÃO São muitas as soluções especializaas em segurança que oferecem um sistema e rastreamento veicular. Esta faciliae está baseaa na recepção e tratamento os sinais provenientes a constelação e satélites para o posicionamento global, e na transmissão os sinais processaos conteno informações pertinentes ao posicionamento o veículo. A telemática oferecia para o rastreamento está baseaa em um receptor e GPS, em uma eletrônica embarcaa e um sistema e transcepção e aos [1]. Contuo, estas são soluções comerciais e aplicação especifica e que não permitem ao usuário intervir, moificar ou implementar uma faciliae particular. Este trabalho apresenta uma solução completa e rastreamento e telemetria com maior atenção na verificação se o objeto, referencianose ao veículo ou embarcação, está entro ou fora e uma trajetória. A trajetória será escrita como seno uma seqüência e pontos geográfi, previamente informaa, que associaos a uma istancia máxima e afastamento perpenicular, à linha que une estes pontos, escrevem um polígono que chamaremos e cerca eletrônica. O ponto importante este trabalho está na autonomia o objeto em eciir sobre a ação que everá ser tomaa na ocorrência e uma navegação para fora a cerca eletrônica. Esta ação poerá ser ese uma interferência local nos subsistemas o objeto ou até uma telemetria para uma estação e controle remoto. A solução a cerca eletrônica foi realizaa usano a geometria esférica, com o objetivo e cobrir istâncias maiores que 200 milhas náuticas, e consierano a superfície a terra perfeitamente esférica [1]-[2]. Para atener a solução proposta neste trabalho será apresentaa na seção 2 a arquitetura o sistema, ou seja, o harware necessário para suportar os requisitos e o software e controle. Na seção 3 apresentaremos o GPS e, com ênfase, a geometria implementaa na solução proposta para a cerca eletrônica. A seção 4 trata sobre a solução computacional apresentano três aplicativos, um para colecionar a seqüência e pontos geográfi a trajetória, um para o sistema e controle local (SCL) e outro para o sistema controle remoto (SCR). Com a implementação o projeto apresentaremos na seção 5 o resultao e um teste e algumas observações. Finalizano na seção 6 com a conclusão este trabalho. II. ARQUITETURA DO SISTEMA Para suportar os requisitos e o software e controle, a arquitetura o harware é composta por um móulo e recepção e sinais GPS, um computaor e boro e um transceptor o tipo raiomoem. O receptor GPS mostrao na Figura 1 é o tipo comum, e baixo custo, alimentao eletricamente com 5Volts e com uma interface serial, no parão elétrico RS232 com taxa e transferência e aos e 9,6 kbps. Fig. 1. Moulo GPS O computaor e boro, mostrao na Figura 2, é o tipo PC e possui alimentação simples que poerá variar entre 12 e 25 Volts. O computaor além e suportar um sistema operacional compatível com os aplicativos, possui também as interfaces necessárias para os ispositivos GPS e raiomoem. Douglas S. Santos, soares@ita.br, Wagner Chiepa C., chiepa@ita.br, Cairo L. Nascimento Jr., Cairo@ita.br +, Tel , Fax

2 Fig. 2. Computaor e Boro A Figura 3 mostra o ispositivo raiomoem com uma interface serial no parão elétrico RS232 com taxa e transferência e aos até 57 kbps. Para a transmissão e recepção e aos, este móulo opera na freqüência em torno e 900MHz e é alimentao eletricamente com 12 Volts. Fig. 3. Raiomoem A Figura 4 apresenta o iagrama e blo para too o sistema incluío a estação remota (SCR). Estação Remota SCR Com 1 Raio Moem Interface p/ os subsistemas veículares I/O Raio Moem SCL Com 2 Computaor e Boro Fig. 4. Diagrama e blo o sistema III. SOLUÇÃO DO POSICIONAMENTO Receptor GPS Com 1 acelerômetros e girômetros e também pelo fato a portabiliae e moulariae necessária neste trabalho, utilizaremos o moulo receptor GPS. O GPS é constituío por uma constelação e satélites e foi esenvolvio para resolver a necessiae e navegação para usuários militares e civis [3]. Possui uma cobertura global e está isponível por too o tempo. Para que o usuário possa capturar os sinais é necessário um móulo receptor, que com base nos sinais fornecios possa calcular e oferecer os vetores e posição e velociae em um sistema e coorenaas conhecias [1]. O moulo GPS isponibiliza as informações através o canal serial. Estas informações são constituías por sentenças e formataas e acoro com um parão enominao National Marine Electronics Association (NMEA 0180) [4]. A origem este parão vem a necessiae e se esenvolver uma linguagem comum para os equipamentos náuti militares. O parão NMEA 0183, recompilao o NMEA 0180, é um protocolo e comunicação e aos formao por pacotes enominaos sentenças. A seguir apresentamos um exemplo e sentença: $GPGLL, ,N, ,W Nesta sentença o caractere $ marca o início o pacote e aos. Logo a seguir aparece o cóigo GP, que ientifica como seno uma mensagem vina a constelação e satélites o GPS. As próximas letras, GLL, caracterizam a mensagem e os próximos campos, separaos por virgulas, se referem a informação e latitue; a ireção N, para Norte, ou S para Sul; a longitue; e a ireção W, para Oeste, ou E para Leste. Caa tipo e sentença, e existem vários tipos, apresenta uma característica e informação particular [3]. 2) A Cerca Eletrônica: Dao um objeto em movimento, e com sua posição geográfica monitoraa, o problema o cercao consiste em eterminar se o objeto está ou não entro o polígono eterminao. Na prática a posição o objeto e a solução o problema são obtias eletronicamente, por isso a enominação e cerca eletrônica utilizaa freqüentemente. Através a cerca eletrônica é possível então monitorar a situação o objeto, e se em algum lugar o trajeto o objeto sair o polígono, estará fora a cerca, portanto irregular ao afastamento máximo permitio. Neste caso a ação e irregulariae é apontaa. A solução a cerca eletrônica poerá estar tanto no sistema embarcao, quanto na central e monitoração. A vantagem e estar no sistema embarcao está na estratégia a conexão, pois somente no caso e uma ocorrência para fora a cerca o link e comunicação será ativao e a informação será enviaa para a central e monitoração. No outro caso, o sistema everia estar permanentemente conectao enviano os pacotes e informação, e conseqüentemente haveria a epenência o link ativo para a tomaa e ecisões. Neste trabalho a solução a cerca eletrônica está no computaor e boro e para resolver a cerca eletrônica aplicaremos os conceitos a geometria esférica. Tomano-se como base o triângulo esférico ABC, mostrao na Fig. 4, apresentaremos as equações para o esenvolvimento a solução a cerca eletrônica. 1) O GPS: Para permitir a implementação com baixo custo em relação a um sistema inercial constituío por

3 AC b (7) BC (arc(si nltb sinltc LgC LgB LtB LtC)) (8) BC a (9) Fig. 4. Projeção o Triangulo Esférico ABC Supono o segmento AB como um trecho e geoésica e o ponto C como o ponto e meição. O cálculo o ângulo h eterminará a istância e afastamento perpenicular à linha que une ois pontos subseqüentes e uma trajetória prevista. Inicialmente esta istância poerá ser usaa para verificar a valiae a cerca eletrônica. h arcsin sin bsin  (1) A istância investigaa neste esenvolvimento, é aquela calculaa em função o ângulo h, pois entro o conceito e cerca eletrônica anteriormente iscutio, esta é uma as meias que eve ser comparaa com a istância máxima e afastamento permitia, e é utilizaa também para testar se o objeto está entro ou fora a cerca. Lembrano-se que a istância máxima e afastamento é um parâmetro e entraa efinio como uma constante entro a rotina o programa que resolve a cerca eletrônica. Para certificar que o objeto está entro e um segmento efinio por A e B, algumas relações everão ser observaas: A istância AC ( AC ) poerá ser encontraa conhecenose a latitue e longitue os pontos, e para encontrar esta istância utilizaremos Haversine [5]. Trata-se e uma equação funamental na navegação, que resolve a istância entre ois pontos na superfície esférica A lei funamental e Haversine (2) relaciona os laos a ângulos e uma esfera. [7] um Haversine ( ) sin (2) 2 One θ é o ângulo, em raianos, subentenio em qualquer lao o triangulo esférico. Aplicano a formula e Haversine [7], em uma forma mais aequaa ao nosso problema, temos em (3) o cálculo a istância entre ois pontos e coorenaas conhecias. 2 LtA, LgA, LtB, LgB (arc(si nlta sinltb LgB LgA LtA LtB)) (3) entro a cerca significa estar entro o círculo em volta o ponto A ou B e raio igual a istância máxima e afastamento permitia, Fig. 6. Fig. 6. Representação e pontos entro e fora a cerca. entro a cerca significa estar a uma istância, perpenicular à trajetória, menor ou igual a istância máxima e afastamento permitia, Fig. 7. One: LtA = latitue o ponto A; LgA = longitue o ponto A; LtB = latitue o ponto B; LgB = longitue o ponto B; = Raio a terra. Conheceno ois pontos subseqüentes o trajeto assim como o ponto corrente o objeto, ao pelo GPS, é possível calcular as istâncias AB (4), AC (6), BC (8) e os ângulos c (5), b (7) e a (9) respectivamente. AB AC (arc(si nlta sinltb LgB LgA LtA LtB)) (4) AB c (5) (arc(si nlta sinltc LgC LgA LtA LtC)) One; LtC = latitue o ponto C e LgC = longitue o ponto C meias no GPS. (6) Fig. 7. Trajetória entre A e B mostrano pontos entro e fora a cerca. O fato e observarmos o comportamento o ponto e teste entro e um segmento AB, mostrará a partir esta solução particular, o equacionamento geral, ou seja, poeremos testar entro e uma seqüência e pontos geograficamente efinios, se o veículo está ou não entro o polígono que representa a cerca eletrônica.para efinirmos a região vália a cerca entre os pontos A e B, uniremos três partes: a) a região em volta os pontos; b) a região ao longo e A e B; c)

4 a istância limite entre A e B possível e conter o ponto e teste. executao e as ocorrências provocaas para que o veículo estivesse fora a cerca eletrônica. A Fig. 8 mostra toas as regiões consieraas. Fig. 8. Regiões e istâncias consieraas. A istância limite (10), mostraa na Fig. 8 representa a istância limite e afastamento, que o veículo poerá ter a partir o ponto A ou o ponto B entro o trecho AB. Lim arc h c (10) A operação lógica que verifica a valiae a cerca eletrônica retornano veraeiro ou falso, ou seja, entro (veraeiro) ou fora (falso) a cerca é aa por: [ h máx AND AC lim AND OR OR ] CERCA CB lim AC máx CB máx (11) As equações efinias até o momento são para um trecho a trajetória elimitao pelos pontos e coorenaas geográficas conhecias. Portanto, lembrano-se que a trajetória é escrita por uma seqüência e pontos, ou uma seqüência e trechos, a valiae a cerca everá ser verificaa para toos os trechos a trajetória, se em algum eles o retorno for veraeiro, o veículo estará entro a cerca, caso contrário o veículo estará fora a cerca eletrônica. IV. SOLUÇÃO COMPUTACIONAL A solução Computacional foi integraa por três aplicativos. O primeiro aplicativo foi esenhao para registrar os pontos a trajetória a ser experimentaa. Este aplicativo apresentou como resultao final, um arquivo e configuração para alimentar o seguno aplicativo (SCL), embarcao no objeto, que cuiou e toa a solução a cerca eletrônica. O SCL foi escrito baseao nas conclusões e equacionamentos apresentaos na seção 3. Foi possível então implementar (11) como uma função lógica este programa que inicialmente calcula toas as istâncias e os ângulos (1)...(9) e, aí então verificar a valiae a cerca eletrônica. A função lógica (11) everá retornar as conições e veraeiro ou falso para que com base nesta informação possa atuar sobre o objeto localmente e usano o link e comunicação possa enviar para o central e monitoração, ona está instalao o terceiro aplicativo (SCR), o status o objeto [1]. V. TESTES Para verificar a consistência os aos e exercitar os programas e controle realizamos um teste em uma região a ciae e São Paulo. A Fig. 9 mostra a região, o trajeto Fig. 9. Região o experimento No programa e verificação a cerca, o parâmetro ajustao para o afastamento máximo foi e 20 metros e a seqüência e pontos, apresentaa na Tabela I, foi previamente aquiria usano o programa e registro e trajetória. Este programa gerou um arquivo e configuração para que o programa o SCL puesse testar a valiação a cerca eletrônica. TABELA I SEQUÊNCIA DE PONTOS ponto latitue ireção longitue ireção 1 23, S 46, W 2 23, S 46, W 3 23, S 46, W 4 23, S 46, W 5 23, S 46, W 6 23, S 46, W 7 23, S 46, W 8 23, S 46, W 9 23, S 46, W 10 23, S 46, W 11 23, S 46, W 12 23, S 46, W 13 23, S 46, W 14 23, S 46, W 15 23, S 46, W 16 23, S 46, W 17 23, S 46, W 18 23, S 46, W 19 23, S 46, W 20 23, S 46, W 21 23, S 46, W Para experimentar o programa o SCL foi usao um microcomputaor o tipo notebook e com os ispositivos GPS e raiomoem conectaos. As faciliaes o uso este equipamento possibilitaram a implementação e um aplicativo mais elaborao. Para que o aviso e valiae a cerca puesse ser reprouzio através e mensagens e voz, possibilitano conforto e segurança para o conutor o veículo. A monitoração e toos os parâmetros como o link

5 e comunicação, os pontos coletaos pelo GPS e a istância e afastamento, também foram registraos pelo aplicativo. Como observao, temos 21 pontos registraos para a trajetória e teste. Se olharmos novamente o mapa que representa a trajetória, as situações e teste para a valiae a cerca eletrônica one o sistema sinalizou fora a cerca eletrônica estão representaas em vermelho. Nestes trechos o sistema apontou o objeto em situação irregular. O aplicativo SCL instalao no notebook para efetuar este teste tem o aspecto apresentao na Fig 10. Fig. 10. Aplicativo o SCL e sistemas inerciais baseaos em acelerômetros e girômetros em conjunto com o receptor GPS everá ser implementaa. Com relação ao transceptor, o moelo utilizao possui uma potência e RF configurável e até 1,5 Watts. Isto nos á um alcance máximo e aproximaamente 25 Km. Contuo, para esta istância a geometria retangular nos serve muito bem. Assim, para a nossa proposta e istâncias maiores que 200 milhas náuticas certamente a comunicação baseaa em satélites seria a mais apropriaa. VII. REFERÊNCIAS [1] Douglas,S.S., 2004, Rastreamento e Telemetria e Veículos usano a Comunicação e Daos e Alta velociae Disponível na Telefonia Celular et al São José os Campos: CTA/ITA. Único 94p. [2] FRANK A.JR., Plane an Spherical trigonometry, MCGraw-Hill Co., [3] REILLY, J.P., GPS Basics for Future Applications, Las Cruces, New Mexico State University, 1992 [4] NMEA PUBLICATIONS AND STANDARDS, NMEA Disponível em: < Acesso em 26 out [5] SINNOTT R. W., Virtues of the Haversine, Sky an Telescope, [6] LEITE, N. P. O., Sistema e Trajetografia GPS Diferencial/Inercial, São José os Campos, Instituto Tecnológico e Aeronáutica, [7] ei_os_haversines. Acesso em 30 jun Os campos e Latitue atual e Longitue atual estão próximos o ponto 12 a trajetória, perto o bastante para inicar que o veículo está entro a cerca eletrônica, já que, a istância máxima permitia representaa pelo campo Raio a Cerca Eletrônica é e 20 metros. Observe também, o campo Link o SCR informano como está a comunicação entre o SCL e o SCR. Esta será uma conição lógica e teste caso haja a necessiae e comunicação e uma situação irregular. VI. CONCLUSÕES Utilizano o programa e registro e trajetória foram colecionaas em outros locais, novas seqüências e pontos e novos testes foram implementaos, os resultaos se mostraram coerentes e com a inicação correta os pontos entro e fora o polígono. Concluímos então que em uma missão one se conhece a trajetória o projeto emonstrou-se eficiente. Contuo, se os pontos são absolutos ou extraíos e um mapa everemos aumentar a tolerância e afastamento. Neste caso, se for necessária uma maior precisão incentivamos o uso a tecnologia GPS iferencial (DGPS) [6]-[1] para a compatibilização os pontos. Mas se a trajetória foi registraa anteriormente, com uma meição relativa, será possível confiar em uma precisão e 5 a 10 metros. No caso e veículos poerá acontecer, por conta a região, uma interferência provocano uma eficiência na recepção mínima e satélites para a eterminação os pontos geográfi. Neste caso uma solução com a implementação