VEÍCULOS AUTÓNOMOS AÉREOSÉREOS. Alfredo Martins José Almeida

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1 VEÍCULOS AUTÓNOMOS AÉREOSÉREOS Alfredo Martins José Almeida Laboratório Sistemas Autónomos Instituto Superior Engenharia do Porto

2 Sumário Conceito UAV Aplicações Panorama actual Caracterização Exemplos veículos Competições e organizações internacionais Veículo Aéreo Autónomo do ISEP: FALCOS Objectivos Aplicações Arquitectura do sistema Sub-Projectos em curso Estado do projecto e perspectivas futuras 2

3 Conceito UAV UAV UAV Unmanned Aerial Vehicle -- veículo aéreo não não tripulado Estação controlo terra Sistema comunicações Veículo Aéreo Sistema lançamento Sistema recolha Veículos Veículos Pilotados Pilotados Remotamente Remotamente (RPV) (RPV) Drones, Drones, veículos veículos com com autonomia autonomia limitada limitada Veículos Veículos Autónomos Autónomos 3

4 Aplicações Civis Militares Reconhecimento Ataque Apoio a combate Alvos Busca e salvamento Mapeamento Prevenção fogos Comunicações Monitorização ambiental Investigação Atmosférica Agricultura Monitorização trafego Fotografia e filmagem Promoção e publicida 4

5 Panorama actual Aplicações militares como motor senvolvimento UAVs USA: USA: Department Department of of Defense Defense (DoD) (DoD) principal principal promotor promotor plataformas plataformas em em execução execução ou ou operacionais operacionais milhões milhões dólares dólares orçamento orçamento para para contratos contratos com com as as principais principais empresas empresas aeronáuticas aeronáuticas (Boeing, (Boeing, Lockeed Lockeed etc) etc) EUROPA: EUROPA: Industria Industria areo-espacial areo-espacial interessada interessada Alguns Alguns avanços avanços leslislativos leslislativos na na França França e e países países nórdicos nórdicos AUSTRALIA: AUSTRALIA: um um dos dos pólos pólos senvolvimento senvolvimento ste ste tipo tipo sistemas sistemas Forte Forte interesse interesse em em aplicações aplicações civis civis Leslislação Leslislação específica específica já já aprovada aprovada Universida Universida Sydney Sydney possui possui um um grupo grupo investigação investigação bastante bastante activo activo 5

6 Promotores Estados Unidos Aplicações Aplicações militares militares (DARPA (DARPA e e DoD DoD em em colaboração colaboração com com a a indústria) indústria) Programa Programa ERSAT ERSAT da da NASA NASA (monitorização (monitorização atmosférica) atmosférica) Univ. Univ. Stanford Stanford Arizona Arizona State State University University Georgia Georgia Tech. Tech. Universida Universida Berkeley Berkeley MIT MIT Europa Indústria Indústria (Aerospatiale, (Aerospatiale, SAAB,Bosch) SAAB,Bosch) Universida Universida Pisa Pisa Universida Universida Glasgow Glasgow Australia ATF ATF - - Aerospace Aerospace Technology Technology Forum Forum Universida Universida Sydney Sydney 6

7 Estação controlo em terra 7

8 Estação controlo em terra Portáteis Menos Portáteis Interface gráfico 8

9 Lançamento Catapulta Descolagem horizontal Largados Veículo À mão mão Foguete Descolagem vertical 9

10 Recolha Gancho Re Vertical Paraquedas Parapente 10

11 Veículo Airframe ou estrutura mecânica Propulsão Avionics (Controlo e navegação) Sist. Energia electrica Comunicações 11

12 Tipos veículos Aviões Balões ou dirigíveis Drones Helicópteros 12

13 Exemplos UAVs

14 SPAWAR - Space and Naval Warfare Systems Center MSSMP - Multipurpose Surveillance and Security Mission Platform 14

15 DoD - Darkstar 15

16 DoD - Predator (General Atomic) 16

17 DragonFly (Univ.. Stanford) 17

18 MIT Information Control Eng.. Lab. 18

19 NASA Dryn Flight Research Center ERAST ERAST - - Environmental Environmental Research Research Aircracft Aircracft and and Sensor Sensor Technology Technology Desenvolver Desenvolver tecnologia tecnologia UAV UAV Aplicações Aplicações científicas científicas Miniaturização Miniaturização instrumentos instrumentos científicos científicos Melhorar Melhorar fiabilida fiabilida Autonomia Autonomia vôo vôo Altitu Altitu e e condições condições vôo vôo JPL JPL -- Jet Jet Propulsion Laboratory Integração Integração tecnologia tecnologia (Grupo (Grupo Inteligência Inteligência Artificial) Artificial) 19

20 NASA Perseus B 20

21 NASA Altus II 21

22 NASA Proteus 22

23 NASA Helios 23

24 Competições International Aerial Robotics Competition (Georgia Tech) Em Em em em Calgary, Calgary, Canada Canada Equipa Equipa tem tem ter ter estudantes estudantes Vôo Vôo 3 3 Km Km e e intificação intificação alvos alvos e e diferentes diferentes estágios estágios autonomia autonomia Micro Aerial Vehicle Competition (ASU) Desenvolvimento Desenvolvimento tecnologia tecnologia vôo vôo Veículos Veículos tele-guiados tele-guiados Ênfase Ênfase na na miniaturização miniaturização Fotografar Fotografar um um alvo alvo 1m 1m numa numa àrea àrea m2 m2 24

25 Organizações European UnmannedVehicle Systems Association Unmanned Aerial Vehicle Systems Association Association for Unmanned Vehicle Systems International Unmanned Aerial Vehicle Center 25

26 Veículo Aéreo Autónomo do ISEP FALCOS - Flight Aerial Light Cooperative Observation System

27 Objectivos Desenvolver um veículo aéreo autónomo do ISEP Investigação em controlo e navegação veículos autónomos Demonstração da competência técnica do ISEP numa àrea tecnologia ponta Potenciar know-how existente senvolvendo uma aplicação forte interesse económico e social Vertente educativa (contacto inicial dos alunos em diferentes graus com projectos investigação) 27

28 Conceito 28

29 Aplicações Prevenção e combate a fogos florestais Operações busca e salvamento Monitorização ambiental Mapeamento e fotografia aérea 29

30 Requisitos Baixo custo Areas operação média dimensão (zenas km) Baixa altitu Desenvolvimento incremental do projecto Elevada autonomia (em tempo e em execução da missão) Equipamento suporte em terra reduzido e portátil Fácil operação, lançamento e recolha 30

31 Opções projecto Airframe tipo avião Base molo RC Boa Boa autonomia autonomia vôo vôo Aerodinâmicamente Aerodinâmicamente estável estável Dimensões Dimensões reduzidas reduzidas Base Base baixo baixo custo custo Implementação Implementação incremental incremental do do projecto projecto SBC PC com Linux a bordo Sensores baixo custo Ligação rádio ethernet Capacida Capacida computacional computacional Tecnologia Tecnologia standard standard Sistema Sistema aberto aberto Sensores Sensores navegação navegação Sensores Sensores aplicação aplicação Protocolos Protocolos standard standard Baixo Baixo custo custo Alto Alto débito débito 31

32 Arquitectura do sistema Veículo Stack 104 Receptor RC Comutação Comando Servos PWM PWM Servos Estação Base Receptor GPS Receptor GPS Receptor GPS Módulo Controlo Eixos Pitot Mom Ethernet Pan &Tilt RS232 Aquisição Sinal PC Linux (SBC) S. Pressão Acelerometros Giroscopios Receptor GPS PC Mom Ethernet 32

33 Protótipo 1 protótipo teste disponível molo RC com 1.8m envergadura SBC x86 com Linux motor combustão 3 receptores GPS sensor pressão sensor pressão diferencial giroscópio baixo custo acelerómetros triaxiais bússola digital link rádio ethernet 33

34 Sub-projectos em curso Placa Placa interface sensorial em em sistema PC104 PC104 Placa genérica conversão A/D (entradas analógicas) Condicionamento sinal base Entradas para medição largura impulsos Elementos fundamentais: ucontrolador + FPGA + conversores A/D Sistema navegação para para veículo autónomo aéreo aéreo Interface com sensores navegação baixo custo: pressão, giroscópios, acelerómetros Instrumentação do avião Testes e caracterização dos sensores 34

35 Sub-projectos em curso Consola interface navegação para para veículo autónomo aéreo aéreo Interface operação do sistema Visualização dados navegação e controlo Visualização dados aplicações Ambiente PC - Linux Sistema Navegação baseado em em GPS GPS Interface com 3 receptores GPS Determinação da atitu do veículo pela informação GPS dos 3 sensores Posicionamento com correcções diferenciais Caracterização dos receptores e da precisão do sistema 35

36 Sub-projectos em curso Controlo do do motor motor combustão Caracterização do motor Sistema medição rpm (óptico) Controlo velocida do motor Sistema controlo servomecanismos e comutação comando Geração do PWM para cada servo Interface com o PC bordo Comutação do controlo rádio para vôo autónomo Mecanismo segurança vôo (perda sinal rádio ou falhas) 36

37 Sub-projectos em curso Sistema manutenção link link rádio rádio Pan & Tilt para orientação antena direccional Orientação da antena para o avião Estação GPS em terra e envio correções diferenciais Sensor tecção focos focos calor calor Sistema aquisição imagem (CCD e câmaras standard) Detecção por análise imagem visivel e imagem infra-vermelha Baixo custo 37

38 Estado do projecto Testes vôo realizados com o protótipo Recolha imagens a bordo, com o vôo preliminar Sistema preliminar comutação comando senvolvido Sistema navegação GPS em execução Desenvolvida placa geração PWM para os servos com interface ISA Testes preliminares sensores navegação (acelerómetros, sensores pressão e giroscópios) Estudo filtragem na recolha imagem para terminação fontes calor 38

39 Perspectivas futuras Testes vôo com recolha imagens fogo (visivel e near IR ) Integração do sistema GPS no protótipo Integração dos sensores navegação e recolha dados Molização do veículo Desenvolvimento do sistema controlo e navegação Desenvolvimento interface controlo e operação Missões com vôo parcialmente autónomo Descolagem autónoma Aterragem autónoma 39

40 LSA Contactos: Alfredo Martins Eduardo Silva José Almeida SITE: 40