CARACTERIZAÇÃO DE SENSOR INERCIAL E APLICAÇÃO EM BARCO AUTÔNOMO. José Maria Cipriano Torres (IC) Elder Moreira Hemerly (PQ)

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1 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

2 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

3 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

4 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

5 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

6 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,