CARACTERIZAÇÃO DO SENSOR GPS E APLICAÇÃO EM BARCO AUTÔNOMO. Ivan Mota Moura Fé IC Elder Moreira Hemerly PQ

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1 CARACTERIZAÇÃO DO SENSOR GPS E APLICAÇÃO EM BARCO AUTÔNOMO Ivan Mota Moura Fé IC Elder Moreira Hemerly PQ Resumo: Este trabalho teve por objetivo a implementação de um sistema de navegação para aplicação no barco, baseado nos sensores tipo bússola digital e GPS. Um programa desenvolvido em linguagem C coleta os dados do receptor Trimble, informando latitude e longitude. Abstract: This work aims at implementing a navigation system for use on a boat, based on GPS sensors and digital compass. A program designed in C programming language collects data from the Trimble receiver, returning latitude and longitude information. 1-INTRODUÇÃO Este projeto utiliza o barco autônomo que foi implementado pelos departamentos de Sistemas e Controle-IEES e Telecomunicações-IEET do ITA, cujo protótipo é mostrado na Figura 1, com o intuito de servir como plataforma de testes para estratégias de controle, instrumentação e processamento de sinais. Figura 1 Protótipo do barco a ser utilizado neste projeto Figura 2 Estrutura do barco O desenvolvimento completo deste projeto, de acordo com o objetivo inicial, pode ser descrito em quatro fases principais de trabalho: 1) Desenvolvimento de software, em linguagem C, para leitura do sensor GPS disponível no Departamento de Telecomunicações-IEET do ITA, com particular interesse nas informações de latitude e longitude. 2) Desenvolvimento de software para leitura da informação de uma bússola digital disponível no Departamento de Sistemas e Controle-IEES do ITA. 3) Implementação do sistema de navegação baseado em GPS+bússola digital no barco da Figura 1. Deverá ser efetuada uma mudança de coordenadas, do receptor GPS para um referencial no lago. 4) Realização de trabalhos experimentais para se avaliar o desempenho do sistema de navegação.

2 2 - GPS GPS (Global Positioning System) é a abreviatura de NAVSTAR GPS (NAVSTAR GPS-NAVigation System with Time And Ranging Global Positioning System). É um sistema de radionavegação baseado em satélites desenvolvido e controlado pelo departamento de defesa dos Estados Unidos da América, que permite a qualquer utilizador saber a sua localização, velocidade e tempo, 24 horas por dia, sob quaisquer condições atmosféricas e em qualquer ponto do globo terrestre. No processo de cálculo da posição pelo sensor GPS, temos que transformar as coordenadas obtidas com o receptor, que têm com referência o WGS-84 (World Geodetic System 1984), em coordenadas cartesianas, que podem ser, posteriormente transladadas e/ou giradas, usando-se uma simples transformação de referencial. WGS 84 é um referencial global fixado na terra, usado pelo sistema GPS desde Podemos expressar uma posição qualquer na Terra usando coordenadas cartesianas ou coordenadas elipsoidais, que é o caso do WGS-84. As coordenadas retangulares também são freqüentemente chamadas de coordenadas ECEF (Earth-Centered-Earth-Fixed), isto é, coordenadas centradas e fixadas na terra. As relações entre estes referenciais são: X = (N + h).cosϕ.cosλ Y = (N + h).cosϕ.senλ Z = [(b 2 /a 2 ).N + h].sinϕ Raio da elipsóide: N = a 2 /(a 2 cos 2 ϕ + b 2 sinϕ) 1/2 Figura 3 Coordenadas cartesianas e coordenadas elipsoidais. 2 ESTRUTURA DO BARCO A figura 2 fornece as dimensões físicas e a estrutura do barco. O sistema de propulsão do barco é constituído por duas hélices acionadas por motores. Os motores utilizados para propulsão são motores O.S. MAX 46 FX (motor a explosão de dois tempos). A cada um dos motores foi conectado um servoposicionador FUTABA S3003 (que controla a abertura da válvula de entrada de ar), que recebe comandos do computador de bordo, modulados em PWM por um circuito específico. O aumento da abertura provoca um aumento da potência desenvolvida, aumentando também o empuxo fornecido por cada hélice. Foi adotado como computador de bordo, por questões de custo e simplicidade, um micro IBM-PC 486DX4 100, que possui as funções de coleta de dados, controle e gerenciamento das atividades de comunicação. A alimentação do micro é provida por um no-break, acoplado na parte de baixo da tábua de fixação do computador. O no-break confere ao sistema uma autonomia de aproximadamente 20 minutos e fornece energia elétrica durante os ensaios de campo. A estrutura do barco contém, em outra tábua, dois spoilers que fazem o barco realizar curvas para a direita ou esquerda, bem como seu circuito de controle e interfaceamento com o computador de bordo. As curvas também podem ser realizadas por diferença nos empuxos do motor direito e do esquerdo. O leme é acionado por um motor DC controlado por um circuito que recebe comandos do computador de bordo.

3 A integração de sensores, atuadores e software de controle resulta em uma malha de controle multivariável. Os comandos podem ser pré-programados, de modo a fazer com que o barco siga uma trajetória especificada, ou transmitidos por um operador em terra através do enlace de RF. Um esquema de interfaceamento dos diferentes sub-sistemas com o computador de bordo encontra-se nas figura 4 e 5. Figura 4 Dispositivos de I/O utilizados pelo computador de bordo. Figura 5 Sensores e atuadores do sistema. 4 COLETA DE DADOS Para realizar a coleta de dados, utilizamos um receptor Trimble, um computador e um compilador de linguagem C/C++ (pertencentes à Divisão de Engenharia Eletrônica do ITA). O receptor Trimble utilizado fornece vários tipos de saídas de dados. Foi escolhida uma saída de dados que fornece a latitude e a longitude do veículo a cada segundo. O formato de saída de dados foi enviado à porta 2 do receptor, ligada à porta COM 2 do microcomputador utilizado no laboratório. O programa reconhece estes dados para coletar a informação desejada. Para isso, é necessário que o programa reconheça o cabeçalho $PTNL,PJ1 e, conhecendo o padrão de envio de dados, colete a latitude e longitude procuradas. O trecho de código-fonte abaixo ilustra como ocorre a recepção de dados. /**********recepção de dados via COM 2**************************************/ do { outp (0x2fc, 0x02); do{ a = inp (0x2fd); }while((a&0x01)==0); outp(0x2fc, 0); c = inp(0x2f8); s[0] = c; /**********verificação do protocolo******************************************/ if (c == char('$')) { for( i =1; i < 8 ; i++) { outp (0x2fc, 0x02); do{ a = inp (0x2fd); }while((a&0x01) == 0); outp (0x2fc, 0); s[i] = inp (0x2f8); } if (strcmp(s,"$ptnl,pj1"))

4 { /**********execução da rotina de coleta de dados********************************/ ProcPTNLPJ1(); av = 1; } } printf("gpslat = %s,%c gpslong = %s,%c",gpslat,latsense,gpslong,longsense); }while(!av); } Os dados seguintes são uma amostra dos dados que foram coletados utilizando o receptor. Como se pode verificar, a saída do software imprime na tela os valores de longitude e latitude a cada segundo. Esses dados foram coletados no laboratório de Navegação por Satélite do Departamento de Telecomunicações-IEET do ITA. Não foi ligado nenhum módulo do receptor no barco. Nesse caso, em um intervalo de tempo significativo, veríamos as leves diferenças de latitude e longitude ao longo do percurso do barco, nos permitindo determinar sua trajetória aproximada, após a conversão do sistema de coordenadas para o referencial no lago. Aqui, percebemos a constância dessas duas medidas. $PTNL,PJ0, Time, 05AUG02, 18:06:34.000, , 178, 01.7, , $PTNL,PJ1, Raw, WGS84, 023:12'33.05",S, 045:52'30.59",W, , SPH $PTNL,PJ2, Datum, WGS84, 023:12'33.05",S, 045:52'30.59",W, , SPH $PTNL,PJ3, Zone, None $PTNL,PJ0, Time, 05AUG02, 18:06:35.000, , 178, 01.7, , $PTNL,PJ1, Raw, WGS84, 023:12'33.05",S, 045:52'30.59",W, , SPH $PTNL,PJ2, Datum, WGS84, 023:12'33.05",S, 045:52'30.59",W, , SPH $PTNL,PJ3, Zone, None $PTNL,PJ0, Time, 05AUG02, 18:06:36.000, , 178, 01.7, , $PTNL,PJ1, Raw, WGS84, 023:12'33.05",S, 045:52'30.59",W, , SPH $PTNL,PJ2, Datum, WGS84, 023:12'33.05",S, 045:52'30.59",W, , SPH $PTNL,PJ3, Zone, None $PTNL,PJ0, Time, 05AUG02, 18:06:37.000, , 178, 01.7, , $PTNL,PJ1, Raw, WGS84, 023:12'33.05",S, 045:52'30.59",W, , SPH $PTNL,PJ2, Datum, WGS84, 023:12'33.05",S, 045:52'30.59",W, , SPH $PTNL,PJ3, Zone, None 5 - CONCLUSÃO A continuação do projeto deverá ter como próximo passo o desenvolvimento de software para leitura da informação de uma bússola digital, disponível no Departamento de Sistemas e Controle-IEES do ITA, para posterior implementação do sistema de navegação baseado em GPS+bússola digital no barco. O trabalho desenvolvido ao longo dos meses pôde proporcionar a familiarização com o sensor GPS, bem como a verificação da saída de dados do software de leitura dos dados do sensor GPS. Nosso ambiente externo de trabalho é o lago próximo ao prédio da Engenharia Eletrônica ITA Não chegaram a ser realizadas medidas experimentais no lago, porém foi possível a familiarização com a estrutura do barco, no segundo semestre de 2001, com o auxílio do estudante André Rodrigues Parolo. 6 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Jay Farrel e Matthew Barth, The Global Positioning System and Inertial Navigation [2] University of California, Engineering and Physical Sciences Extension Series, Inertial Guidance [3] PAROLO, André Rodrigues, Modelagem e Controle de um Barco Autônomo, 2001

5 CONTROLE FUZZY PARA BRAÇO ROBÓTICO UTILIZANDO A ABORDAGEM ADAPTATIVA NEURO-FUZZY (ANFIS) DO MATLAB João Rodolfo Côrtes Pires (PG) Divisão de Engenharia Mecânica-Aeronáutica Instituto Tecnológico de Aeronáutica São José dos Campos-SP jrcortes@mec.ita.br Cairo Lúcio Nascimento Júnior (PQ) Divisão de Engenharia Eletrônica Instituto Tecnológico de Aeronáutica São José dos Campos-SP cairo@ita.br RESUMO Em muitos casos a lógica fuzzy tipo Mamdani possibilita o rápido desenvolvimento de um controlador para um sistema físico mesmo se o projetista não dispor de um rigoroso modelo matemático do sistema a ser controlado. Variáveis lingüísticas são então usadas para modelar o conhecimento intuitivo dos operadores do sistema e assim desenvolver regras fuzzy tipo Mamdani que rapidamente produzirão um controle grosseiro. Entretanto, se for desejado um controlador de alto desempenho, os controladores fuzzy tipo Mamdani são difíceis de serem ajustados. Uma alternativa é o desenvolvimento de controladores fuzzy tipo Sugeno. Porém controladores desse tipo são de difícil ajuste manual visto que a topologia usada por este estilo de lógica fuzzy favorece o modelamento matemático em prejuízo da utilização do conhecimento intuitivo. Este artigo propõe a combinação do uso destes dois tipos de controladores fuzzy usando a estrutura de controle conhecida por feedbackerror-learning. Nesta estrutura um controlador fuzzy tipo Mamdani é rapidamente ajustado para implementar um controlador feedback estável mas de baixo desempenho. Então os parâmetros de um controlador fuzzy tipo Sugeno, funcionando como controlador feedforward, são ajustados por uma rotina de treinamento para sistemas neuro-fuzzy do software MATLAB (ANFIS Adaptive Neuro- Fuzzy Inference System). As simulações computacionais desta abordagem mostraram que para um braço robótico foi possível o rápido desenvolvimento de um sistema de controle com desempenho superior ao obtido quando apenas um dos dois tipos de controladores foi usado. ABSTRACT In many cases, by using the Mamdani-style fuzzy logic, a designer can rapidly develop a controller for a physical system even if a rigorous mathematical model of the system is not available. Linguistic variables and Mamdani-style fuzzy logic are then used to model the intuitive knowledge about the system, which was acquired by the operators through their everyday experience with the real-world system. In this way a rough controller can be rapidly obtained. However, if a high-performance controller is desired, experience has shown that it will be difficult to fine tune the Mamdani-style fuzzy controller manually or by using a training algoritthm. A possible alternative is to develop a Sugenostyle fuzzy controller which are hard to be adjusted manually since their topology favours mathematical modelling instead of the expression of intuitive knowledge. Sugeno-style fuzzy controller can be adjusted automatically by a training algorithm but it may be difficult to initialize the parameters of such a controller to obtain a stable learning process. This article proposes to combine the Mandani and Sugeno fuzzy controllers using the control structure known as Feedback-Error- Learning. Initially, only the Mandani-style fuzzy controller is used as the feedback controller and is rapidly tuned which to produce a rough stable controller. Then a Sugeno-style controller is used as a feedforward controller and is tuned by a neuro-fuzzy training algorithm available in the software package MATLAB (ANFIS - Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System). Computer simulations of a highly non-linear robotic arm demonstrate that by using the proposed approach, when the two types of fuzzy controllers are used simultaneously, one could more rapidly develop a better controller than using either one of these two types of fuzzy controllers. 1. INTRODUÇAO Um sistema de controle tem como função fornecer respostas a uma determinada entrada de acordo com sua função de transferência. Para muitos sistemas esta função apresenta grande complexidade o que dificulta o controle através dos procedimentos convencionais. Nestes caso os

6 CARACTERIZAÇÃO DE SENSOR INERCIAL E APLICAÇÃO EM BARCO AUTÔNOMO José Maria Cipriano Torres (IC) Elder Moreira Hemerly (PQ) Resumo: Este trabalho teve por objetivo caracterizar sensores inerciais, especialmente os do tipo piezoelétricos, e desenvolver um programa de aquisição de dados da plataforma inercial de um barco autônomo através de um conversor analógico digital. Seis sinais foram lidos do sensor: três referentes a acelerações lineares e três referentes a velocidades angulares. Abstract: This work aims to characterize inertial sensors (INS), especially piezeletric sensors type, and develops a computational program of data acquisition from a autonomous boat s inertial platform through analogical /digital converter. Six signals were read from the sensor: three signals of linear acceleration and three signals of angular velocities. 1) Introdução Este projeto de pesquisa visa ao estudo de sensores inerciais, particularmente os do tipo piezoelétricos, bem como a aquisição de seus dados por um computador através de um conversor analógico/digital, determinando assim a atitude (posição e orientação) de um corpo móvel. Neste caso, os trabalhos foram voltados a um barco autônomo que se encontra em implementação nos Departamentos de Sistemas e Controle - IEES e Telecomunicações - IEET do ITA. Tipicamente vários sensores são utilizados para a navegação, havendo dois tipos complementares de sensores: aqueles que possuem grande precisão em curto prazo, mas com deriva, ou seja, dados que se tornam discrepantes com o decorrer do tempo, e aqueles cuja precisão não se degrada com o tempo. O sensor tipo inercial é o principal representante da primeira classe, e o GPS é um exemplo típico da segunda classe. 2) Navegação Inercial Navegação pode ser definida como o processo de direcionar os movimentos de um corpo móvel de um determinado ponto a outro. Tal definição implica dois tipos de operações: primeiro, a determinação de uma posição e velocidade inicial do veículo em relação a um sistema referencial conhecido e, segundo, guiar, ou seja, modificar o curso do veículo tal que o destino desejado seja alcançado. Desde a década de 40, os sistemas de navegação, em especial os sistemas de navegação inercial (INSs: inercial navigation sistems) tornaram-se importantes componentes em aplicações científicas e militares. A Navegação Inercial baseia-se em medições das acelerações e velocidades angulares do corpo em movimento em relação a determinado sistema de referência. Tais medições são obtidas por instrumentos que empregam as leis newtonianas de movimento. Girômetros e acelerômetros podem fornecer os sinais necessários para uma navegação autônoma, sendo que os girômetros medem as rotações e os acelerômetros, as acelerações. Através de processos de integração, torna-se possível obter velocidade e posição, bem como determinar a orientação do corpo. Há vários motivos práticos pelos quais os sistemas de navegação inercial têm sido desenvolvidos como substitutos, ou em suplemento, a outros métodos nos dias de hoje. No entanto, é fácil citar um motivo bem evidente para tal fato: as leis de movimento são simples, exatas, completas e universais. Qualquer sistema de navegação inercial precisa resolver a equação de aceleração do corpo para obter a velocidade e a posição através de valores pré-determinados de acelerações iniciais e intervalos de tempo. Para tal, torna-se necessário escolher o tipo de mecanismo adequado a cada situação, tais como o melhor arranjo mecânico, o sistema de coordenadas apropriado, o sistema de hardware a ser 1

7 empregado, etc. No fluxograma abaixo, é mostrado o inter-relacionamento entre os diversos tipos de sistemas empregados na navegação. Figura 1 Fluxograma 3) Plataformas Inerciais Basicamente, há dois tipos de arranjos mecânicos possíveis: sistemas com plataforma estabilizada (mechanized-platform) e sistemas com plataforma solidária (strap-down). Nos sistemas mechanized-platform, a plataforma mantém-se orientada de acordo com um sistema de coordenadas específico, que é o referencial de navegação. Isto é conseguido mantendo os sinais de saída dos girômetros sempre iguais às taxas de rotação computadas para o referencial de navegação. A orientação desejada requer, então, o emprego de um servomecanismo. Sendo assim, a plataforma não experimenta nenhuma rotação em relação ao referencial de navegação, apesar do veículo estar em movimento, mantendo-se sempre alinhada com este. Nessa aproximação, os acelerômetros medem as acelerações relativas ao referencial de navegação, sendo a orientação do veículo determinada pelas medidas dos ângulos relativos entre os eixos do veículo e da plataforma. Já nos sistemas do tipo strap-down, os sensores são afixados ao chassi do veículo, mantendo o eixo da plataforma alinhado ao eixo do veículo. Com essa aproximação, torna-se necessária uma conversão entre o referencial de navegação e o do veículo. O referencial deste é definido da seguinte maneira: a origem está situada num ponto que corresponderia ao centro de gravidade do veículo; o eixo x aponta na direção do movimento; o eixo z aponta para o fundo do veículo; e o eixo y completa o sistema ortogonal apontando para a direita. Os ângulos de rotação medidos em relação ao referencial de navegação pelos girômetros são computados, operando nos sinais de saída dos acelerômetros, permitindo-se obter os valores corretos de aceleração em relação ao referencial de navegação. Pode-se concluir, portanto, que é exigido um aparato computacional bem maior neste tipo de sistema. 2

8 Figura 2 Barco Autônomo com a plataforma inercial solidária. 4) Componentes de um sensor inercial 4.1 Acelerômetros Tem-se basicamente três componentes básicos em um acelerômetro: a) uma massa, geralmente chamada de massa de prova; b) um arranjo, no qual está localizada a massa; c) um dispositivo, que nos dá os valores de aceleração medidos. Os sensores inerciais que estamos estudando são compostos por materiais do tipo piezoelétrico, ou seja, materiais que, quando sujeitos a deformações, geram tensões em seus terminais. Através da figura abaixo, que representa um sistema típico massa-mola, não fica tão óbvio estabelecer uma analogia com sensores do tipo piezoelétrico e saber exatamente o que cada elemento representa. A massa, por exemplo, seria o próprio bloco; a mola seria representada pela própria elasticidade do arranjo; já as tensões elétricas geradas, decorrentes dos efeitos piezoelétricos, entrariam como parâmetros nas medições das acelerações. Figura 3 - Acelerômetro massa-mola ideal 3

9 4.2 Girômetros Um girômetro, em sua forma mais simplificada, pode ser encarado como um rotor montado sob uma estrutura que permite uma liberdade de inclinação do eixo de spin relativamente à base na qual é fixado. A essa estrutura mecânica, dá-se o nome de gimbal. O funcionamento de um girômetro está baseado em um fato experimental: um corpo com seu eixo de spin apontando em determinada direção preserva tal direção em um grau bem maior se comparado com um corpo não em rotação. Tal fato decorre das leis de Newton. O rotor é feito de material rígido, não sujeito deflexões angulares. Se aplicarmos um torque sobre um eixo transversal ao eixo de spin, o rotor passa a girar em torno de um terceiro eixo. A esse movimento inclinado, dá-se o nome de precessão. Figura 4 Esquema de um girômetro 4.3 Sensor Inercial Utilizado Fig.5 - Desenho esquemático do MotionPack O sensor inercial utilizado neste projeto é denominado de MotionPack, sendo fabricado pela Divisão Inercial da Sistron Donner. É um sensor que apresenta seis graus de liberdade, empregando três girômetros e três acelerômetros na medição de movimentos lineares e rotacionais. É alimentado 4

10 por uma fonte DC, disponibilizando seis sinais analógicos de saída, três para aceleração e três para velocidade angular. 5) Programa de aquisição de dados provenientes do sensor inercial O grande objetivo do projeto foi a elaboração do software para aquisição de dados provenientes do sensor inercial MotionPack. O conversor analógico-digital empregado inicialmente foi uma placa conversora denominada PCL-711B PC-MultiLab. Encontraram-se duas dificuldades principais: a primeira dificuldade foi ler os seis canais da placa e a segunda, o compilador empregado, que só permitia trabalhar em ambiente DOS. Passou-se a empregar o compilador Microsoft Visual C++ 6.0, o que permitiu que o trabalho fosse realizado em ambiente Windows. O programa lê os dados provenientes do sensor e exibe na tela a variação desses sinais com tempo através da projeção de um gráfico. Sensor Inercial 3 velocidades angulares 3 acelerações lineares Programa em C Conversor analógico/digital Lê os seis canais do sensor Plota dois gráficos: o das acelerações lineares e o das velocidades angulares Figura 6 - Resumo esquemático do programa 6) Conclusões Não foi possível dar uma atenção especial à aplicação em barco autônomo. Uma das razões principais foi o grande tempo que foi necessário para efetuar a leitura dos canais do sensor inercial. Apenas conseguia-se ler um dos canais isoladamente, não sendo possível ler mais de um simultaneamente. O Sistema de Navegação Inercial, que foi o objetivo deste trabalho, será de fundamental importância para a automação do Barco Autônomo, que é fonte de outros trabalhos nos Departamentos de Sistemas e Controle e Controle Aeroespacial, que incorpora o subproblema da Navegação. O desenvolvimento e a implementação do software para aquisição dos sinais provenientes do sensor inercial possibilitará para os trabalhos futuros desenvolver sistemas que possam controlar a trajetória do barco, guiando por pontos pré-determinados. 5

11 7) Agradecimentos Agradecemos ao Programa Institucional de Bolsas de Iniciação Científica PIBIC/ITA pelo apoio e auxílio financeiro. Agradecemos também ao professor Elder Moreira Hemerly pelo apoio técnico e orientação. 8) Referências Bibliográficas [1] Jay Farrel e Matthew Barth, The Global Positioning System and Inertial Navigation, McGraw Hill Companies, 1999 [2] Anthony Lawrence, Modern Inertial Technology, Springer-Verlag, Nova Yorque, 1993 [3] University of California, Engineering and Physical Sciences Extension Series, Inertial Guidance, Nova Yorque, Wiley,