AUTOMAÇÃO DE CÚPULA DE OBSERVATÓRIO ASTRONÔMICO Marcella Scoczynski Ribeiro (UTFPR/UEPG) marcella_engcomp@yahoo.com.br Matheus Safraid (UEPG) msafraid@hotmail.com Resumo Este trabalho apresenta os benefícios sociais, tecnológicos e científicos através do uso de um controle de posição baseado em um transdutor óptico, para a automação do sistema de rotação da cúpula e abertura da trapeira de observatório astronômico, relatando um estudo de caso no observatório da Universidade Estadual de Ponta Grossa. Palavras-chave: observatório; automação; controle. 1. Introdução A cúpula do observatório é o sistema responsável pela visualização do céu; no centro da cúpula há um telescópio astronômico, e, dependendo do ângulo e da região do céu que se pretende observar, a cúpula deve girar e posicionar a trapeira, que é uma superfície deslizante acionada por um outro motor, para que a mesma seja aberta e a região do céu escolhida possa tornar-se visível. O processo de rotação conta atualmente com um automatizador deslizante industrial, semelhante a um motor de garagem. Este motor é ligado e através do controle remoto a cúpula é rotacionada pelas roldanas. O processo de abertura da trapeira também conta com um outro motor. Este é acionado depois que a localização correta da trapeira é atingida. O problema consiste em que o processo de rotação da cúpula não é integrado com o telescópio, ou seja, o telescópio é controlado pelo micro-computador, através de um software, e posicionado de acordo com a região do céu que se pretende observar. Então, depois de posicionado o telescópio, é necessário acionar o controle remoto para girar a cúpula, e acompanhar para que a trapeira se posicione corretamente e possa ser aberta, respeitando as condições de visualização e captação das imagens através do telescópio. Geralmente não se consegue um posicionamento correto e exato da trapeira, gastando-se muito tempo para encontrar o melhor ponto. Para integrar o controle de posicionamento do telescópio com a cúpula do observatório da Universidade Estadual de Ponta Grossa, surge a necessidade de automatizar o processo de rotação desta, baseando-se nos parâmetros de controle do próprio telescópio. A automação se verifica sempre que novas técnicas de controle são introduzidas num processo. Pode-se dizer que automação é oferecer e gerenciar soluções (TROJAN, 2004), através de
técnicas por meio das quais se constroem sistemas ativos capazes de atuar com uma eficiência ótima pelo uso de informações recebidas do meio sobre o qual atuam. Neste trabalho, o motor responsável pela rotação da cúpula será controlado pelo micro-computador, assim como o telescópio, aumentando a confiabilidade das imagens adquiridas e a precisão da visualização, diminuindo o tempo desperdiçado no posicionamento da trapeira, contribuindo em projetos de pesquisas científicas e atraindo investimento tanto na comunidade científica e acadêmica como para a população de Ponta Grossa em geral, pois será um dos únicos observatórios brasileiros que possui seu telescópio e cúpula integrados com um micro-computador, possibilitando, futuramente, o acesso remoto, transformando o observatório astronômico em um observatório astronômico virtual. 2. Fundamentação Teórica 2.1. Motores No observatório existem dois motores, responsáveis pela rotação cúpula e pela abertura da trapeira, conforme mencionado na introdução deste trabalho. Os motores, aqui denominados motor de rotação e motor de abertura respectivamente, possuem suas especificações conforme tabelas 1 e 2 a seguir. Tabela 1: Especificação do motor de rotação Alimentação 220V monofásico ou 220V/380V trifásico Freqüência 60 Hz Potência 1 HP Rotação (RPM) 1750 RPM Proteção IP44 Lubrificação Graxa Coroa Bronze Velocidade (m/min) 15,00 Tempo de abertura (portão de 3m) 12 s Consumo por ciclo (24s) 0,0052 kw.h Fonte: Unisystem, 2006. Tabela 2: Especificação do motor de abertura Alimentação 220V trifásico Potência 1/6 HP Velocidade (m/min) 10,50 Tempo de abertura 17s Fonte: Unisystem, 2006. Cada motor possui uma central responsável pelo controle do motor. Esta central possui uma antena receptora de sinais na freqüência do infravermelho que, quando do acionamento do controle remoto, capta as ondas características ao seu comprimento de onda e aciona o respectivo motor. Para o sistema desenvolvido será trabalhado com o controle remoto de cada motor, visto que foi a solução viável encontrada. 2.2.Porta Paralela A porta paralela é uma interface de comunicação entre o computador e um periférico. - Transmissão unidirecional, a porta paralela SPP (Standard Parallel Port) pode chegar a uma taxa de transmissão de dados a 150KB/s. Comunica-se com a unidade
central de processamento utilizando um barramento de dados de 8 bits. Para a transmissão de dados entre periféricos são usados 4 bits por vez. - Transmissão bidirecional, a porta avançada EPP ( Enhanced Parallel Port ) chega a atingir uma taxa de transferência de 2 MB/s. Comunica-se com a unidade central de processamento utilizando um barramento de dados de 32 bits. Para a transmissão de dados entre periféricos são usado 8 bits por vez. O micro-computador nomeia as portas paralelas, chamando-as de LPT1, LPT2, LPT3 etc, conforme tabela 3, mas a porta física padrão do computador é a LPT1, e seus endereços são: 378h (para enviar um byte de dados pela porta), 378+1h (para receber um valor através da porta) e, 378+2h (para enviar dados) (MESSIAS-2006). Tabela 3 Portas Paralelas Nome da Porta Endereço de memória Endereço da Porta Descrição LPT1 0000:0408 378 hexadecimal 888 decimal Endereço base LPT2 0000:040A 278 hexadecimal 632 decimal Endereço base Utilizando a porta paralela conectada à um periférico, os endereços terão nomes sugestivos, conforme tabela 4: Tabela 4 Registradores Nome Endereços LPT1 Endereços LPT2 Descrição Registro de Dados 378h 278h Envia um byte Registro de Status 379h 279h Ler o Status Registro de Controle 37Ah 27Ah Envia dados de controle O DB25 é um conector que fica na parte de trás do gabinete do computador, e é através deste que o cabo paralelo se conecta ao computador para poder enviar e receber dados. No DB25, um pino está em nível lógico 0 quando a tensão elétrica no mesmo está entre 0 à 0,4v. Um pino se encontra em nível lógico 1 quando a tensão elétrica no mesmo está acima de 3.1 e até 5v. A figura 1 mostra o conector padrão DB25 com 25 pinos. Figura 1 Conector DB25 e os registradores.
2.3. Sensores ópticos Os sensores são dispositivos capazes de detectar movimentos e ações que ocorrem em processos e projetos eletro-eletrônicos. (MATIAS-2006) Os sensores são elementos de extrema importância no controle moderno, pois fecham a malha de um circuito, ou seja, eles são capazes de detectar a margem de erro de um sistema e enviar um sinal para um atuador. Com isto, é possível que o processo responda de uma forma mais desejada e pode-se então controlar mais eficientemente um processo. Um esquema resumido desse fato está mostrado na figura 2. Figura 2 Controle de Processos Os sensores ópticos de posição detectam a posição de um objeto com respeito a um ponto de referência. Estes podem medir tanto distâncias lineares quanto angulares. O elemento básico de um sensor óptico de posição é um encoder. O encoder é um transdutor óptico que converte o movimento ou posição angular em uma série de pulsos. Feixes de luz atravessam o encoder para iluminar foto-sensores individuais. (MATIAS-2006). Os encoders produzem diretamente uma saída digital, eliminando a necessidade de um conversor analógico-digital. Existem dois tipos de encoders: o encoder absoluto e o encoder incremental. Neste trabalho, devido ao fato da possibilidade de atualização do ponto de referência através do software de controle do telescópio, utiliza-se um encoder incremental, que viabiliza a implantação pela diferença de custo em relação ao encoder absoluto. O encoder ótico incremental possui apenas uma trilha com dentes igualmente espaçados (figura 3). A posição do objeto é determinada pela contagem do número de dentes que passam na frente de um foto-sensor, onde cada dente representa um ângulo conhecido. Este sistema requer um ponto de referência inicial. (POLI.USP-2006). Figura 2 Encoder Incremental Fonte: Poli USP, 2006. A resolução de um encoder incremental é dada pela relação pulsos/revolução (normalmente chamado de PPR), isto é, o encoder gera uma certa quantidade de pulsos elétricos por uma revolução dele próprio.(abraf-2006).
Segundo Matias (2006), a precisão de um encoder incremental depende de fatores mecânicos, elétricos e ambientais, que são: erros na escala das janelas do disco, excentricidade do disco, excentricidade das janelas, erro introduzido na leitura eletrônica dos sinais, temperatura de operação e nos próprios componentes transmissores e receptores de luz. 3. Desenvolvimento Como a universidade adquiriu o software AutomaDome para controle do telescópio (figura 3) e este possibilita a automação de cúpulas desde que haja driver correspondente, surgiu a idéia de adquirir um controlador para implementar a automação, indicado pelo fabricante do software (SIRIUS OBSERVATORIES, 2006). Muitos métodos foram pesquisados para solucionar o problema da rotação da cúpula e abertura da trapeira, inclusive a compra deste controlador remoto que realiza a abertura e rotação da cúpula (KOLLAR-2006), porém a aquisição tornou-se inviável devido ao preço do componente (PERSEU-2006). Logo, fez-se necessário o desenvolvimento de um sistema de controle capaz de implementar as funções do controlador em questão e tornar viável a manipulação do software AutomaDome de maneira a adequar os componentes (telescópio e motores) já existentes no observatório. Figura 3: Telescópio utilizado no Observatório da UEPG Fonte: Meade, 2006. O projeto para a construção do sistema de automação da cúpula foi realizado através do desenvolvimento do software responsável (driver) pelo controle do acionamento dos motores e da construção e ligação do circuito eletrônico utilizado para a comunicação dos motores de rotação da cúpula e de abertura da trapeira com o micro-computador. No desenvolvimento do software de controle foram utilizados os parâmetros angulares do telescópio, para que a cúpula fosse sincronizada com o equipamento. No eixo de rotação da cúpula foi projetado um sistema de alimentação e escolhida uma posição a qual designou-se de referência. Este sistema será construído a fim de alimentar o motor de abertura da trapeira, pois esta gira junto com a cúpula. A trapeira possui contatos deslizantes, fazendo com que o motor de abertura seja alimentado neste sistema.
Os processos de abertura e rotação foram feitos pelos controles transmissores dos respectivos motores, os quais acionam o motor, através do software que manipula o conector DB-25 da porta paralela, emitindo sinais infravermelhos que são captados por uma antena receptora na centrar do motor. Quando se envia uma determinada seqüência binária (um pino do DB-25 que está em nível lógico 0 possui tensão elétrica entre 0 à 0,4v, e um pino que se encontra em nível lógico 1 possui tensão elétrica no mesmo acima de 3.1 e até 5v (CAVALCANTI-2006)) há a transmissão do sinal na freqüência do infravermelho, e quando a antena da central do motor capta o sinal, o motor é acionado. Acoplado ao eixo do motor de rotação foi projetado um encoder incremental, capaz de determinar a posição angular do motor, e através de cálculos pode se obter o deslocamento angular da cúpula e sua posição em relação à referência. Como o encoder transmite pulsos digitais elétricos a cada revolução de si próprio (MATIAS-2006), estes pulsos são transmitidos via porta paralela para um micro-computador; cada pulso representa um ângulo de rotação do motor que depende da resolução do encoder, assim o pulso elétrico é convertido em ângulo mecânico do motor, e este ângulo também convertido em deslocamento angular da cúpula através de cálculos matemáticos e mecânicos implementados no software bem como sua comprovação experimental. Quando o total de pulsos elétricos já convertidos em deslocamento angular da cúpula for igual ao parâmetro angular do telescópio, então é enviado à porta paralela uma seqüência binária que faz com que o motor de rotação estacione na posição pretendida e a trapeira seja aberta. 4. Conclusão Atualmente, vemos uma explosão no volume dos dados astronômicos oriundos dos novos telescópios que adentram no mercado dia-a-dia. A demanda para o armazenamento e as condições necessárias para a análise desses bancos de dados irá crescer, e excederão em muito as capacidades com as quais os astrônomos estão habituados atualmente. Na situação atual, onde imensos bancos de dados encontram-se desconectados, podemos afirmar que um vasto conjunto de dados científicos está sendo sub explorado. As necessidades de implementação de um observatório virtual são definidas por estes motivos, onde o primeiro passo para tornar um observatório virtual é iniciar pela automação de seus equipamentos. Neste trabalho foram definidos os métodos para automação da cúpula do observatório astronômico da Universidade Estadual de Ponta Grossa, visando sua transformação em futuro observatório astronômico virtual da região dos Campos Gerais. 5. Referências CAVALCANTI E. Controlando dispositivos externos através da porta paralela. Disponível em: <http://www.linhadecodigo.com.br/artigos.asp?id_ac=254&pag=1> Acesso em: 07 jun. 2006. MATIAS, J. Encoders. Disponível em: <http://www.edsaber.com.br/mecatronicaatual/artigos/cnc/index.htm> Acesso em 23 março 2006. MESSIAS, A.R. Introdução à porta paralela. Disponível em <www.rogercom.com> Acesso em 28 de março de 2006.
TROJAN, F. Controladores Lógicos Programáveis: disciplina de informática industrial, curso de Tecnologia em Eletrônica com ênfase em Automação Industrial, 19 de out. de 2004. Notas de Aula. Digitalizado. Disponível em: <http://www.unisystem.com.br> Acesso em: 20 março 2006. Disponível em: <http://www.perseu.pt/pt/dept_206.html> Acesso em: 20 março 2006. Disponível em: <http://www.siriusobservatories.com/dome_shutter.htm> Acesso em: 20 março 2006. Disponível em: <http://www.kollar.com/observatory/dome/ > Acesso em: 20 março 2006. Disponível em: <http://www.meade.com/rcx400/index.html> Acesso em: 20 julho 2006. Disponível em <www.poli.usp.br/d/pmr2450/manual_do_usuario_encoder.doc> Acesso em 23 de março de 2006. Disponível em <http://www.abraf.com.br/encoders.htm>acesso em 23 de março de 2006.