EA-291 Pilotos Automáticos para VANTs. Piloto Automático para Veículo Aéreo Não-Tripulado (VANT) MicroPilot

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1 Comando-geral de Tecnologia Aeroespacial Instituto Tecnológico de Aeronáutica EA-291 Pilotos Automáticos para VANTs Piloto Automático para Veículo Aéreo Não-Tripulado (VANT) MicroPilot Luis Mauro de Vargas Figueiredo Jonatas Sant Anna Santos Campo Montenegro, 06 de outubro de 2010

2 Piloto Automático para Veículo Aéreo Não-Tripulado (VANT) MicroPilot 1.Introdução A MicroPilot Inc. é uma empresa que fabrica, entre outros produtos, pilotos automáticos e se auto intitula líder mundial em pilotos automáticos para veículos aéreos não tripulados (VANTs) de pequeno porte. Para esta aplicação a MicroPilot disponibiliza uma família de dispositivos identificados como MP2028. Dentre os modelos disponíveis está o MP2028g que é indicado para controle e guiamento de VANTs de alto desempenho. O MP2028g é um piloto automático projetado para operação totalmente autônoma de VANTs de pequeno porte, desde a decolagem ou lançamento até o pouso ou recuperação. Abaixo segue a Figura 1 mostrando o hardware do MicroPilot. Figura 1. MP2028g Circuito Principal Os controles automáticos disponíveis incluem vôo com velocidade constante, vôo com altitude constante, execução de curva coordenada, navegação por GPS, bem como o lançamento e pouso autônomos. O MicroPilot possui a arquitetura básica mostrada na Figura 2. Figura 2. Diagrama de Blocos MP2028g 1

3 O sistema do piloto automático também tem a capacidade de registro de dados de vôos realizados com controle manual(rádio controle). Todos os ganhos das malhas de controle e parâmetros de vôo são programáveis pelo usuário e os laços de controle são ajustáveis em vôo. O MP2028g também inclui o programa para estação de controle de terra HORIZON, que fornece uma interface amigável para programação de missões, ajuste de parâmetros, monitoramento e simulação de vôos. Os pilotos automáticos da família MP2028 caracterizam-se por apresentar, integrados em uma única placa de circuito impresso todos os sensores e componentes necessários ao processamento para a execução do guiamento e navegação do VANT. Para tanto possibilita uma interface programável para até 24 relés ou servos para acionamento de diferentes superfícies de controle e acionadores, tais como: ailerons, profundor, leme, e alavanca de aceleração, etc. 2.Sensores O MicroPilot possui como sensores: girômetros e acelerômetros fabricados em tecnologia MEMs (micro eletro-mecânica), transdutores de pressão para medição das pressões estática e dinâmica para obtenção da altitude e da velocidade do ar, respectivamente e receptor GPS, o sistema permite também a utilização de altímetro ultrasônico (placa AGL), magnetômetro e câmera. A Figura 3 indica o posicionamento dos sensores no circuito principal do Micropilot. Figura 3. Localização dos sensores. A placa AGL é um sensor opcional que fornece informação de altitude de alta resolução até uma altitude de 16 pés acima do solo. A partir disso, a medição da altitude é chaveada para os trandutores de pressão estática. É necessário a placa AGL para a decolagem e pouso autônomos. 3.Horizon - Software de estação de solo O Horizon é utilizado para programação e simulação de missões, para tanto dispõe de uma série de comandos programáveis para definícão de pontos a serem seguidos durante o vôo. Podemos destacar a seguintes funções do software Horizon : Configuração de parametros distribuidos em 12 categorias, sendo estas: PID; Flight; Runways; Tables; TLM; Servos; Failures; Video; ADC; Comms; Others. A Figura 4 mostra a tela inicial do software Horizon. 2

4 Figura 4. Janela inicial do Horizon. Dentre os ajustes de configuração da aeronave, pode-se destacar: - Parâmetros de funcionamento de servo-motores de acionamento das superfícies de controle; - Parâmetros dos controladores PID para as diferentes malhas de controle disponíveis; - Definir ajustes de posição e movimentação das superfícies de controle e alavanca de aceleração para as diferentes condições previstas de vôo (cruzeiro, súbida, descida, etc..); - Definir ajustes para condição de pouso automático; - Definir limites de segurança das condições de vôo, bem como condições e tempos para detecção de falhas; - Configurar posições de inicialização para os servo-motores; - Ajuste de marcha lenta; - Definir limites de posicionamento das superfícies; Dentre os ajustes de configuração dos sensores, (Estão disponíveis mas não é aconcelhavel alteração dos valores pré-determinados), tais como: - Offset e fator de escala de acelerômetros; - Fator de escala de girômetros; - Taxa de recepção do GPS; - Tamanho em bits da mensagem utilizada pelo receptor GPS; - Seleção de modo falso GPS para uso exclusivo em ensaios em solo, quando é necessário operar e testar o sistema in door ; - Seleção e configuração de sensores adicionais (opicionais), como altímetro por ultrasom, para uso em pouso automático, com melhor resolução para altitudes abaixo de 15 pés; - Ajuste da declinação magnética a ser considerada durante o vôo; - Definir a origem da informação de pressão, entre altitude pelo GPS, altitude pelo barômetro ou altitude por altímtrode utra-som (quando disponível), para as diferentes faixas de altitude; - Limites de segurança para alarme de carga de baterias; 3.1.Procedimento para ajuste de ganhos O procedimento usual para ajustar os ganhos dos controladores, é pilotar o avião, observar seu comportamento e pousar para ajustar os ganhos conforme necessário e repetir até que o vôo seja satisfatório. 3

5 O Horizon permite que os ganhos sejam ajustados em vôo, para tanto é necessário, por segurança, que existam condições de assumir o controle da aeronave por rádio controle, visto que o ajuste durante o vôo pode fazer com que a aeronave opere em condições instáveis. Sequência de ajuste de ganhos: É indicado pelo fabricante que se siga a seguinte sequência para ajuste dos ganhos: 1. Profundor através da arfagem, leme pela aceleração lateral (Y) e ailerons pelo ângulo de rolamento; 2. Arfagem pela velocidade do ar e rolamento pelo ângulo de apontamento; 3. Arfagem pela altitude; 4. Aceleração pela altitude; 5. Aceleração pela velocidade do ar; 6. Leme pelo ângulo de apontamento; 7. Arfagem pela altitude medida pelo altímetro ultrasônico. 4.Malhas de controle As malhas de controle do MP2028g utilizam controle por relimentação com ação de controle tipo PID que funciona basicamente por ajustes de parâmetros baseados na diferença entre a medida real (Output) e a desejada, conforme descrita no item anterior. A configuração dos parâmetros obtidos é feita utilizando um arquivo com a extensão.vrs que armazena os dados configuráveis pelo programa HORIZON. A Figura 5 apresenta a janela de edição do arquivo VRS para configuração dos parâmetros dos controladores com ações de controle PID. Figura 5. Janela de Edição do arquivo VRS. Na edição deste arquivo é possível configurar os ganhos Proporcional (P), Integral (I) e Diferencial (D) para cada malha de controle disponível no Micropilot. As seguintes malhas de controle estão disponíveis para configuração: 1. Controle do rolamento comandando o aileron: Controla os ailerons para minimizar a diferença entre o ângulo de rolamento desejado e o real. 2. Controle da arfagem comandando o profundor: Controla o profundor para minimizar a diferença entre o ângulo de arfagem desejado e o real. 3. Controle da aceleração lateral comandando o leme: Controla o leme para minimizar a diferença entre o valor desejado para aceleração lateral (Y) e o real valor. Este é o controle que coordena curvas. 4. Controle de rumo comandando o leme: Controla o leme para minimizar a diferença entre rumo desejado e o real. Este controle é usado durante a decolagem para manter a aeronave no rumo correto. 5. Controle da velocidade pela alavanca de aceleração: Controla a alavanca de aceleração para minimizar a diferença entre a velocidade desejada e a velocidade real. Esse controle é utilizado durante a aproximação final e quando a opção de controle de velocidade através da alavanca de aceleração e da altitude através do profundor é selecionado. 4

6 6. Controle de altitude pela alavanca de aceleração: Controla a alavanca de aceleração para minimizar a diferença entre a altitude desejada e a real. Este controle é usado quando a opção de controle de altitude através da alavanca de aceleração e velocidade através de profundor é selecionado. 7. Controle da altitude pelo ângulo de arfagem: Controla o Ângulo de arfagem desejado para minimizar a diferença entre a altitude desejada e a real. 8. Controle da altitude (obtida por altímetro ultrasônico) pelo ângulo de arfagem: Controla o ângulo de arfagem desejado para minimizar a diferença entre a altitude desejada e a altitude real medida por altimetro ultrasônico de alta resolução. Esse controle é ativado durante o pouso e controla a sustentação. 9. Controle da velocidade pelo ângulo de arfagem: Controla o ângulo de arfagem desejado para minimizar a diferença entre a velocidade desejada e a velocidade real. Este controle é ativado durante a subida e durante vôo nivelado, quando a opção de controle de altitude através da alavanca de aceleração é selecionado. 10. Controle do rumo pelo ângulo de rolamento: Controla o ângulo de rolamento desejado para minimizar a diferença entre o rumo desejado e o real. Este controle está sempre habilitado. 11. Controle da linha de visada pelo rumo: Controla o rumo desejado para minimizar a diferença entre o rumo e a linha que liga o marco (waypoint) anterior e o próximo marco. Este controle é habilitado quando o piloto opera no modo (comando) de-para (from To). 12. Controle de descida pelo ângulo de rolamento: Controla o ângulo de arfagem desejado para minimizar a diferença entre a taxa de descida desejada e a taxa de descida atual. O manual do Micropilot não mostra como é feito a malha de controle, mas traz um exemplo do controle de deflexão do profundor através da arfagem. Esta malha de controle tem a função de minimizar o erro entre o ângulo de arfagem desejada e ângulo de arfagem real obtida através das medidas feitas pelo girômetro. O que é fornecido por ele é a equação básica de funcionamento do PID, como pode ser visto na equação abaixo. Para o leme, a ação de controle PID é associada a uma ação de controle antecipativa chamada de Feed Forward. Este termo se refere a correção do rolamento causado pela guinada causada pela diferença da velocidade do ar nas asas. Embora a documentação do Micropilot não apresente diagramas das malhas de controle, admite-se que as mesmas seguem os esquemas tradicionais conforme mostradas nas figuras abaixo. 5

7 Figura 6. Sistema de aumento de estabilidade longitudinal A Figura 6 mostra o sistema de estabilidade aumentada que controla a dinâmica longitudinal da aeronave pela deflexão de profundor com a realimentação do ângulo de ataque e da razão de arfagem. O funcionamento é parecido para o sistema de aumento de estabilidade látero-direcional. A Figura 7 mostra a malha de controle para os ailerons referenciados pela taxa de rolagem, e para o leme, tendo como base a taxa de guinada. Figura 7. Sistema de aumento de estabilidade látero-direcional. 5.Bloco de Guiagem (Waypoints) O Piloto automático Micropilot opera executando manobras programadas a fim de percorrer objetivos que na realidade são pontos de uma determinada trajetória, chamados de waypoints, neste trabalho estaremos considerando que todos os comandos executados pelo piloto automático visando operar autonomamente e executar as tarefas desejadas incluindo ou não a decolagem e o pouso comporão uma missão. Para programar e/ou modificar uma missão o usuário tem duas maneiras de injetar comandos que são representadas pelo programa de estação de terra Horizon, fornecido com o Micropilot e o programa HiperTerminal que é uma interface disponível em todas as versões do Microsoft Windows. Estes dois programas atendem a tarefas específicas e complementares e dependendo do comando a ser transmitido ao piloto automático o usuário deverá utilizar em alguns instantes Horizon e em outro instantes o HiperTerminal. O Autopiloto MicroPilot MP2028 permite a programação de cerca de 1000 waypoints ou comandos. 5.1.Passagem por Waypoints Para o piloto automático é considerado que dois waypoints consecutivos, são ligados por uma linha reta imaginária. Existem duas formas de o piloto automático identificar ou reconhecer a passagem por um waypoint: 6

8 - Na primeira, a passagem por um waypoint é definida quando a aeronave cruza o plano que contém o waypoint e é definido pela direção desta linha imaginária. Desta forma o algoritmo previne a situação de a aeronave percorrer trajetória espiral em torno do segundo waypoint. Mostrado na Figura 8. Figura 8. Modo de passagem por waypoints. - Na segunda forma os waypoints são definidos pela posição de seu centro e pelo seu raio ou diâmetro e a passagem pelo waypoint é identificada quando a aeronave penetra em um quadrado imaginário, centrado na posição do waypoint e com lado igual ao dobro do diâmetro do waypoint. 6.Referências [1] Borges, R. B., 2008, Modelagem, Simulação e Controle de um Veículo Aéreo Não- Tripulado, Instituto Tecnológico de Aeronáutica ITA, São José dos Campos, Brasil, 129 p. [2] Micropilot, MP 2028 g Instalation and Operation, 2003, available upon request from [3] Micropilot, HORIZON mp user s guide, 2004, available upon request from [4] Ogata, K. Discrete-Time Control Systems, 2 ed. Prentice Hall, [5] Stevens, B. L., and Lewis, F. L. Aircraft Control and Simulation, 2 ed. Wiley- Interscience, Hoboken, USA,