UM SOFTWARE PARA TESTE DOS CONTROLES DE VÔO DO VEÍCULO TRIPHIBIUS EM CENÁRIOS VIRTUAIS

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1 Anais do 12 O Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA XII ENCITA / 2006 Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil, Outubro, 16 a 19, UM SOFTWARE PARA TESTE DOS CONTROLES DE VÔO DO VEÍCULO TRIPHIBIUS EM CENÁRIOS VIRTUAIS Marcos Vinícius Melo Sampaio ITA Instituto Tecnológico de Aeronáutica Praça Marechal Eduardo Gomes, 50 H8 C, 304 Vila das Acácias, São José dos Campos SP CEP Bolsista PIBIC CNPq Adilson Marques da Cunha ITA Instituto Tecnológico de Aeronáutica Praça Marechal Eduardo Gomes, 50 Vila das Acácias, São José dos Campos SP CEP Resumo. O projeto TRIPHIBIUS consiste num Veículo Experimental capaz de atuar ora como um carro de alta performance, ora como um avião anfíbio. Ele deve poder decolar e pousar em pistas curtas, ter um piloto automático e um sistema de navegação, e operar em diversos tipos de terreno. Buscando diminuir o desperdício de recursos durante as suas fases de ensaio em vôo, desenvolveu-se um Software que visa hospedar com eficiência as manobras realizadas pelo Veículo. Este artigo estuda a viabilidade da substituição da biblioteca gráfica do Cenário Virtual, que atualmente utiliza Java3D, pela GL4Java; a fim de ganhar desempenho e utilizar o Simulador em aplicativos do tipo BROWSER de Internet. Palavras chave: Carro Anfíbio-Voador, Engenharia de Software, Linguagem Java. 1. Introdução O Projeto do Veículo Experimental do Tipo Carro Anfíbio Voador TRIPHIBIUS tem por objetivo propiciar o desenvolvimento e a construção de um veículo que seja capaz de comportar-se como: 1) um carro confortável e seguro nas estradas; 2) uma aeronave de pequeno porte e de alto desempenho em baixas e médias velocidades, com modernos equipamentos de navegação, comunicação e segurança; e 3) um barco com casco, que permita amerissar e decolar da água. O TRIPHIBIUS deverá ser capaz de transportar, de porta a porta, de uma a quatro pessoas; voar a uma velocidade aproximada de 400 km/h; operar em pistas curtas; permitir o comando interno de abertura ou recolhimento das asas e o prosseguimento da viagem por terra; navegar por lugares alagados como rios, praias ou lagoas; e abrigar-se dentro de uma garagem comum, evitando com isso, despesas de estacionamento. Em caso de viagens longas, condições meteorológicas adversas ou necessidade de pousos intermediários freqüentes, o veículo TRIPHIBIUS poderá transformar-se facilmente de Aeronave em Carro ou Barco, ou vice-versa. O veículo TRIPHIBIUS poderá pousar em pistas curtas, estrategicamente construídas ao lado de estradas; continuar a sua viagem por terra, ou até mesmo decolar de uma outra região qualquer, onde e quando as condições meteorológicas permitirem. Este Projeto representa a continuação e o aperfeiçoamento dos Projetos desenvolvidos em anos anteriores, também com Bolsas do PIBIC, pelos alunos Márcio Endo, Guilherme Dalphian, João Henrique, e Alex Lopes Pereira, este último com Bolsa oriunda do Projeto CNS/ATM IEC / ITA. Este Projeto parte dos resultados obtidos pelos Bolsistas anteriores e dos Trabalhos Finais da Disciplina de Graduação do ITA CES-63 Sistemas Embarcados, que vem sendo ministrada pelo Prof. Dr. Adilson Marques da Cunha, nos últimos oito anos ( ) para os alunos de Graduação dos Cursos de Engenharia Eletrônica e Computação do 5 Ano do ITA. 2. Atividades de capacitação As atividades realizadas no segundo semestre de 2005 visaram à formação e à capacitação do aluno pesquisador na área em que esta pesquisa se encontra inserida: Programação Orientada a Objetos em Java, com destaque para a biblioteca GL4Java.

2 Descreve-se abaixo, resumidamente, algumas das tarefas realizadas durante o primeiro período de atividades Applet DesenhaTriangulos O Applet DesenhaTriangulos, mostrado na Fig. 1, desenha e classifica triângulos de qualquer tipo, a partir de dados de entrada fornecidos pelo usuário. Figura 1. Applet DesenhaTriangulos: Triângulo Escaleno Calculadora A Calculadora, exibida na Fig. 2, utiliza tratamento de eventos e alguns componentes básicos do pacote gráfico Swing, como botões e campos de texto. Figura 2. Calculadora.

3 2.3. Chat Dois programas constituem o Módulo Chat: um faz o papel de Servidor, mostrado nas Figuras 3 e 4, e o outro de Cliente, Figuras 5 e 6. Além de apresentarem uma interface gráfica mais complexa, eles utilizam recursos muito importantes da Linguagem Java, como os Sockets, capazes de gerar conexões para a transmissão de informações. Figura 3. Servidor: Guia de Mensagens do Servidor. Figura 4. Servidor: Guia de Clientes. Figura 5. Configuração do Cliente.

4 Figura 6. Interface do Cliente Cenário 3D O Módulo Cenário 3D, apresentado na Fig. 7, consiste de um mapa simples feito com recursos da biblioteca GL4Java, como o desenho de formas primitivas e o mapeamento de texturas. Figura 7. Cenário 3D usando GL4Java. 3. Limitações da biblioteca GL4Java O trabalho com a biblioteca OpenGL para Java evidenciou algumas limitações que desencorajaram o seu uso. Dentre elas destacam-se: o nível das funções oferecidas, o limitado suporte a carregamento de objetos no cenário, e a estagnação do desenvolvimento desta API. Esta biblioteca basicamente faz um mapeamento completo do OpenGL 1.2 e do GLU 1.2. Sendo assim, existe a necessidade de manipulação direta de polígonos e matrizes de transformação. Já em interfaces de alto nível, como a desenvolvida pela Sun, trabalha-se com conceitos de grafos de cena e câmeras.

5 Ao contrário do Java3D, que possui carregadores de objetos para os principais formatos 3DS, OBJ, VRML, X3D, NWN, e FLT, o GL4Java limita-se a arquivos OBJ. Esta funcionalidade foi desenvolvida por programadores independentes, não sendo, na verdade, um recurso nativo. Programas externos como Wings3D e 3DWin podem converter arquivos em diversos padrões, em particular, arquivos 3DS em OBJ. Dentre as metas da equipe de desenvolvimento encontra-se a implementação de grafos de cena e melhorias na estabilidade, porém, o último release candidate data de dezembro de Assim, não se pode concluir se eles vão realmente retomar as atividades. Inclusive, o site oficial do projeto [01] está desativado há meses. 4. Análise de desempenho Com o intuito de mensurar a performance das duas interfaces em estudo, realizou-se uma análise de desempenho entre ambas. Para os testes efetuados, utilizaram-se computadores equipados com processadores dos dois maiores fabricantes atuais Intel e AMD. A Tab. 1 abaixo mostra, com maiores detalhes, suas configurações: Tabela 1. Configurações das máquinas utilizadas na análise. Computador 1 Computador 2 Processador Intel Pentium GHz AMD Athlon XP GHz Memória 512 MB DDR 400 MHz 384 MB DDR 333 MHz Placa de Vídeo NVIDIA GeForce4 MX MB NVIDIA GeForce4 MX MB Placa Mãe ASUS P4S800D-X ASUS A7V8X-MX SE Sistema Operacional Microsoft Windows XP SP2 Microsoft Windows XP SP1 Ao todo foram feitos três testes em ambientes particulares [02]. O primeiro trabalha com modelos padrões da ferramenta GLUT, Fig. 8. O segundo cria uma cena objetos carregados a partir de arquivos OBJ. Por fim, o terceiro analisa o desempenho com o mapeamento de diversas texturas. Abaixo, seguem os principais resultados obtidos: Figura 8. Teste 1. Figura 9. Testes realizados com o computador 1.

6 Figura 10. Testes realizados com o computador 2. Como se pode observar nas Figuras 9 e 10, o GL4Java apresentou um desempenho superior ao do Java3D no geral, mas essa diferença já não é tão crítica quanto os valores obtidos em testes com versões anteriores [02]. Além disso, em cenas com carregamento de objetos externos utilizando a biblioteca OpenGL para Java houve uma maior demanda de processamento e uma queda na qualidade da imagem. Este fato poderia trazer um efeito contrário ao desejado, já que o Cenário Virtual contém diversos modelos construídos no programa 3D Studio. 5. Conclusões Vários fatores contribuíram para que não houvesse a substituição da atual API. Em primeiro lugar, os recentes ganhos de performance do Java3D supriram satisfatoriamente a principal necessidade do projeto. Em segundo, as limitações da outra interface dificultariam o aprimoramento do Simulador, pois, conforme a complexidade do Cenário aumentasse, a manutenção do código-fonte ficaria inviável. Por fim, a estagnação do desenvolvimento da biblioteca GL4Java poderia deixar futuros problemas sem perspectiva de solução. Para versões futuras, sugere-se um aprimoramento da Dinâmica de Vôo do Software Simulador tendo em vista a acomodação de movimentos mais realistas do Veículo. 6. Agradecimentos Os autores agradecem ao CNPq, pelo financiamento de uma bolsa de Iniciação Científica, e ao Eng. Alex Lopes Pereira, por toda a sua paciência e assistência prestada. 7. Referências [01] OpenGL for Java Open Source Project [02] Labor Computer Graphics der Fachhochschule Stralsund [03] Deitel, H. M., Deitel, P. J., 2002, Java, Como Programar, BOOKMAN, 1386p. [04] Horstmann, C. S., Cornell, G., 2000, Core Java 2: Volume 1 Fundamentals, MAKRON BOOKS, 676p. [05] NeHe Productions [06] CUNHA, Adilson Marques da; Pereira, ALEX Lopes. "Um Protótipo de Software de Mapa Móvel para o TRIPHIBIUS no Ambiente CNS/ATM", Relatório Final, Programa Institucional de Bolsas de Iniciação Científica - PIBIC, ITA, São José dos Campos, SP, [07] CUNHA, Adilson Marques da; Silva, JOÃO HENRIQUE de Almeida e. "Um Protótipo de Software para o Desenvolvimento do Mapa Móvel do Cenário de Testes dos Controles de Vôo do Veículo Experimental Carro Anfíbio Voador - TRIPHIBIUS", Relatório Final, Programa Institucional de Bolsas de Iniciação Científica - PIBIC, ITA, São José dos Campos, SP, [08] CUNHA, Adilson Marques da; DALPIAN, Guilherme Martini. "Projeto de Software para o Sistema de Controle de um Carro Anfíbio Voador", Relatório Final, Programa Institucional de Bolsas de Iniciação Científica - PIBIC, ITA, São José dos Campos, SP, [09] CUNHA, Adilson Marques da; ENDO, Márcio. "Projeto de Software para o Sistema de Controle de um Carro Anfíbio Voador", Relatório Final, Programa Institucional de Bolsas de Iniciação Científica - PIBIC, ITA, São José dos Campos, SP, 1999.

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