Implementação de Sistema de Aquisição para Ensaios em Voo de um VANT (Veículo Aéreo Não- Tripulado)

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1 Implementação de Sistema de Aquisição para Ensaios em Voo de um VANT (Veículo Aéreo Não- Tripulado) Glêvson Diniz Franco Prof. Dr. Luiz Carlos Sandoval Góes (Orientador) 1

2 Roteiro VANTs Definição VANTs ITA LSA Motivação, Objetivos da Pesquisa e Infraestrutura Vector-P Icasim Sensores Arquitetura do sistema de aquisição crio ARM Dados de Ensaio em Voo Conclusão 2

3 VANT (Veiculo Aéreo Não-Tripulado) É definido formalmente como um veículo aéreo propulsado que usa forças aerodinâmicas para prover sustentação e não possui operador humano, sendo capaz de voar de forma autônoma ou pilotada remotamente. [Defense United States of America, 2001] Possui capacidade de carregar carga paga letal ou nãoletal, além de ser recuperável ou descartável. Aeronaves de pesquisa, de reconhecimento e de combate [NEWCOME, 2004] 3

4 VANT DCTA ITA LSA Desenvolvimento no Laboratório de Sistemas Aeronáuticos (LSA) Departamento de Mecânica de Voo e Controle de Aeronaves 4

5 DCTA ITA LSA Objetivos e Linhas de Pesquisa Modelagem dinâmica das eqs. de movimento (modelos aerodinâmicos lineares e não-lineares); Estimação de parâmetros aerodinâmicos com dados de ensaios em voo; Desenvolvimento e testes de estratégias de controle em tempo real Sistemas HIL para VANT; Modelagem dinâmica e identificação experimental de sistemas de comando de voo; Sistemas de detecção de falhas e reconfiguração de controle de voo; 5

6 Motivação Para elaboração de algoritmos de controle próprios ou otimização do controlador (Micropilot) é necessária a identificação do modelo da aeronave, para tal utilizamse técnicas de identificação que se iniciam-se por parâmetros da geometria da aeronave, com auxilio de ferramentas como o (AAA, J2) e preferencialmente finalizam com a identificação por ensaio em voo, onde a aeronave ensaiada é submetida a determinadas manobras que excitam os modos desejados. Em posse dos dados de entradas (deslocamento das superfícies, throttle, etc. para realizar as manobras) e dos dados de saída (atitude, velocidade e etc., como resposta da aeronave às manobras) pode-se utilizar algoritmos de identificação para levantar o modelo da aeronave. 6

7 Objetivo Substituir o Icasim pelo crio como plataforma de ensaios em voo por ser mais flexível, robusto e por demandar menor tempo para reconfigurações. Configurar o crio para aquisitar os dados processados e os dados crus da AHRS visando utilizar um algoritmo próprio de fusão sensorial. Para baixo payload usar o ARM com programação labview, robusto e rápida reprogramação. Desenvolvimento/upgrade da estação solo de monitoramento e controle do Vector-P.. 7

8 DCTA ITA LSA Infraestrutura do Laboratório de Ensaios em Voo - ITA Softwares Envolvidos LabVIEW Software para simulação em tempo real (Opal-RT); Software para estimação de parâmetros e identificação de modelos aerodinâmicos (Estima-DLR, Opal-Dinamo); Software para simulação HIL-Matlab (DSpace); Software para aquisição de dados anemométricos, integrados com dados de GPS e INS (ICASIM); Software para simulação de sistemas de comando de voo (AMESIM, 20-SIM); Hardwares Envolvidos Plataforma Inercial (AHRS da Crossbow); Sistema GPS; Sistema de aquisição de dados anemométricos (smart-boom ICASIM); Sistemas de Simulação em Tempo Real (HIL) da DSpace, RTLAB, National-RT; Analisador Dinâmico de Fourier Multicanais (ACE); Sistemas portáteis de aquisição de dados da NI-LabVIEW Vector-P 8

9 O Vector-P Características veículo aéreo não-tripulado fabricado pela Intellitech Microsystems (Estados Unidos) em material composto é uma pequena aeronave para aplicações que exigem desempenho e confiabilidade a um preço acessível. Ex: missões de busca e salvamento, monitoramento de áreas urbanas, de tráfego e de fronteiras e agricultura de precisão 9

10 O Vector-P Especificações Envergadura Fuselagem 2,58 metros Comprimento 1,525 metros Velocidade Máxima 100 nós (185 km/ h) Velocidade de Cruzeiro Velocidade para pouso Motor Hélice Alcance máximo (autonomia) Altitude Max Max Peso de Descolagem Peso Vazio Combustível a bordo Combustível por Hora 70 nós (129 km/h) 40 nós (74Km/h) de 75cc, 7,5 hp, modelo 3W 75iS (capaz de 180N de empuxo), motor 2 tempos a gasolina Biela 24x milhas (519 km), dependendo do combustível a bordo pés (3 km) 34 kg 19,7 kg Padrão 2,3 litros 2,3 litros 10

11 O Vector-P: Icasim - Simtec (Suíça) Sistema de monitoramento de voo Icasim Flight Test Equipment (IFTE) TRM/916 acoplada a plataforma de voo (Vector-P) Permite a gravação de todos os dados desejados e posterior visualização em programa proprietário ou em outros capazes de acessar seus arquivos, possibilitando uma posterior análise do voo e fornecendo dados para identificação do modelo da aeronave. 11

12 O Vector-P: Icasim (TRM/916) Dados Técnicos É um pequeno computador (PC104) rodando um sistema Linux, com interface de comando diretamente no painel Possui uma interface de comunicação LAN Ethernet e uma memória de massa em um cartão compact flash de 256MB Conexões externas: Receptor GPS 1Hz Ponta de prova anemométrica (Boom) Unidade inercial (Crossbow AHRS400) Modulo AD (POTI-AMP) para leitura de potenciômetros para sensoriamento de superfícies de controle Cabo de alimentação do sistema 24VDC 12

13 O Vector-P: Icasim (TRM/916) Glêvson Design D Internal Board External Board ICASIM GPS Antena GPS AHRS VECTOR-P ICASIM Power Distribution and Instrumentation SIZE A4 DRW NO. DRW-VCP-100 REV 1.0 SCALE 1:1 SHEET 1 OF 1 D Internal Board External Board CON-VCP9 POTI-AMP Boom CON-VCP8 C B Internal Board Pick-up BOARD PK-VCP External Board CON-VCP6 CON-VCP7 CONDITIONING & POWER SUPPLY DISTRIBUTION BOX DB-VCP2 CON-VCP1 CON-VCP2 Auxiliar Channel CON-VCP3 CON-VCP4 24Vdc 24Vdc 12Vdc CON-VCP5 Elevator Rudder Aileron Throttle/RPM Acesso dos arquivos via Ethernet, visualização com o suite-simo ou matlab C B A FUSE-VCP1 FUSE-VCP2 SWITCH & PROTECTION POWER DISTRIBUTION BOX BATTERY BANK A FUSE-VCP3 DB-VCP

14 O Vector-P: Icasim (TRM/916) Os sensores : Unidade inercial É a AHRS-400CC-200 fabricada pela Crossbow É um sistema de estado sólido para sensoriamento de atitude e de posicionamento, destinado às aplicações embarcadas (VANTs) Possui tecnologia MEMS (Microelectromechanical systems) fornece atitude e direção em medições estáticas e dinâmicas que ultrapassa os tradicionais sistemas de giroscópios e acelerômetros Os dados de saída são fornecidos no formato digital (RS-232) e analógico. 14

15 O Vector-P: Icasim (TRM/916) Os sensores: Ponta de Prova anemométrica (Boom) Desenvolvida pela Simtec (Suíça) com o objetivo de ser utilizada em aeronaves de pequeno porte (VANTs) Já veio calibrada para o envelope de voo do Vector-P A Boom mede os parâmetros mais relevantes: Velocidade da aeronave (pressão de impacto) Altitude da aeronave (pressão estática) Ângulo de ataque Ângulo de derrapagem Temperatura do ar (TAT Total Air Temperature) Temperatura interna 15

16 O Vector-P: Icasim (TRM/916) Os sensores: GPS Interno ao Icasim fornece os dados comuns a maioria dos GPS, sendo os mais relevantes ao sistema de ensaio em voo: latitude, longitude, altitude e velocidade. Os sensores de deslocamento de superfícies Servos modificados para fornecerem a posição das superfícies (03 superfícies de controle e também acoplado ao throttle ou Rotação no eixo do motor PSOC/HALL). 16

17 O Vector-P: Modificações no Vector-P Modificação dos servos atuadores para leitura da posição 17

18 O Vector-P: Modificações no Vector-P Modificação dos servos atuadores para leitura da posição 18

19 O Vector-P: Modificações no Vector-P Modificação dos servos atuadores para leitura da posição Profundor Serial Aileron Leme Throttle 19

20 O Vector-P: Modificações no Vector-P Modificação dos servos atuadores para leitura da posição 20

21 O Vector-P: Modificações no Vector-P Placa de condicionamento e leitura de RPM Adição de um circuito de condicionamento para a faixa de leitura do POTI-AMP Há duas formas de monitorar o motor do Vector-P monitorando o servo da manete através do POTI-AMP monitorando a rotação do motor através do sensor hall que foi adicionado ao eixo do motor (sinal é monitorado pelo AD de um microcontrolador PSOC) Ensaio de Bancada Injetado o sinal de um gerador de sinais na entrada do microcontrolador Ensaio Prático teste do microcontrolador utilizando o sensor de efeito hall acoplado ao eixo do motor 21

22 Tensão O Vector-P: Modificações no Vector-P Placa de condicionamento e leitura de RPM Curva rotação X Tensão Bancada Prático RPM Gráfico do resultado do ensaio do microcontrolador de leitura de rotação do motor 22

23 Tensão Tensão O Vector-P: Modificações no Vector-P Placa de condicionamento e leitura de RPM A rotação do motor foi obtida a partir dos vetores de variáveis do Icasim através de uma equação de conversão utilizando a ferramenta de curve fiiting do MATLAB 4 3 Vetores Icasim X Vetores Tensão data 2 linear 2.5 x 105 Tensão X Curva rotação Bancada 7th degree Vetores Icasim Técnica de curve fitting para os dados de entrada do Icasim RPM curva de rotação do microcontrolador 23

24 Arquitetura do Sistema de Aquisição 24

25 crio Controladora FPGA crio no Vector-P Icasim (esquerda), Micropilot (Centro) e crio (direita) no Vector-P 25

26 ARM (baixo payload) 26

27 Ensaios em voo Local Data São José dos Campos SP 23/11/07 Pindamonhangaba SP 27/10/08 Pindamonhangaba SP 14/05/09 Pindamonhangaba SP 06/02/10 Pindamonhangaba SP 07/02/10 Voos Voo 1 Voo 2 Voo 3 Voo 4 Voo 1 Voo 2 Voo 1 Sistema em teste Micropilot/Horizon Icasim CompactRIO (NI) Voo 1 Voo 2 Voo 3 Voo 1 Voo 2 Voo 3 Voo 4 Voo 5 27

28 Ângulo [Graus] Dados do ensaio em Voo Gráfico do deslocamento de superfícies e AHRS Superfícies (Profundor, Leme, Aileron) juntamente com os dados da AHRS (pitch, roll e yaw) Ângulos de Atitude e Deslocamento das Surperfícies de Comando Pitch Roll Yaw Profundor Aileron Leme Tempo[min] 28

29 Ângulo [Graus] Dados do ensaio em Voo Deslocamento de superfícies o deslocamento das três superfícies de controle do Vector-P (Profundor, Aileron e Leme) em um único gráfico gráficos individuais do deslocamento de cada uma das superfícies de controle Deslocamento das Surperfícies de Comando Profundor Aileron Leme Profundor Aileron Leme Tempo[min] 29

30 Latitude[Graus] Altitude GPS[m] Altitude[m] Dados do ensaio em Voo Resultados para o GPS Altitude GPS Solution 800 Altitude GPS Solution 3D Tempo[min] Gráfico da altitude GPS durante o ensaio em voo do Vector-P GPS Usernavdata Trajeto Longitude[Graus] Latitude[Graus] Longitude[Graus] Gráfico em 2D e 3D da trajetória e altitude obtida com o GPS 30

31 Conclusões Após testes em solo em laboratório e teste em voo constatou-se: Que os substitutos do Icasim no Vector-P atendem as necessidades de fornecimento de dados para a técnica de modelagem aerodinâmica baseada em ensaio em voo. Que a flexibilidade do sistema permite rápida reconfiguração de novas necessidades para cada ensaio em voo. 31

32 Contatos: Glêvson Diniz Franco Vector-P após as modificações FIM 32

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