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
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
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
VANT DCTA ITA LSA Desenvolvimento no Laboratório de Sistemas Aeronáuticos (LSA) Departamento de Mecânica de Voo e Controle de Aeronaves 4
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
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
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
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
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
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 24x10 280 milhas (519 km), dependendo do combustível a bordo. 10.000 pés (3 km) 34 kg 19,7 kg Padrão 2,3 litros 2,3 litros 10
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
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
O Vector-P: Icasim (TRM/916) 4 3 2 1 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-VCP1 4 3 2 1 13
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
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
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
O Vector-P: Modificações no Vector-P Modificação dos servos atuadores para leitura da posição 17
O Vector-P: Modificações no Vector-P Modificação dos servos atuadores para leitura da posição 18
O Vector-P: Modificações no Vector-P Modificação dos servos atuadores para leitura da posição Profundor Serial Aileron Leme Throttle 19
O Vector-P: Modificações no Vector-P Modificação dos servos atuadores para leitura da posição 20
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
Tensão O Vector-P: Modificações no Vector-P Placa de condicionamento e leitura de RPM 4 3.5 Curva rotação X Tensão Bancada Prático 3 2.5 2 1.5 1 0 2000 4000 6000 8000 RPM Gráfico do resultado do ensaio do microcontrolador de leitura de rotação do motor 22
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 2 1.5 Bancada 7th degree 2 1 0.5 1-100 -50 0 50 100 Vetores Icasim Técnica de curve fitting para os dados de entrada do Icasim 0 0 1 2 3 4 RPM curva de rotação do microcontrolador 23
Arquitetura do Sistema de Aquisição 24
crio Controladora FPGA crio no Vector-P Icasim (esquerda), Micropilot (Centro) e crio (direita) no Vector-P 25
ARM (baixo payload) 26
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
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) 200 150 100 50 0 Ângulos de Atitude e Deslocamento das Surperfícies de Comando Pitch Roll Yaw Profundor Aileron Leme -50-100 -150-200 0 5 10 15 20 25 30 35 Tempo[min] 28
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 100 0 Deslocamento das Surperfícies de Comando Profundor Aileron Leme -100 0 5 10 15 20 25 30 35 50 Profundor 0-50 0 5 10 15 20 25 30 35 50 Aileron 0-50 0 5 10 15 20 25 30 35 100 Leme 0-100 0 5 10 15 20 25 30 35 Tempo[min] 29
Latitude[Graus] Altitude GPS[m] Altitude[m] Dados do ensaio em Voo Resultados para o GPS Altitude GPS Solution 800 Altitude GPS Solution 3D 700 600 800 500 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Tempo[min] -22.936 Gráfico da altitude GPS durante o ensaio em voo do Vector-P GPS Usernavdata Trajeto 750 700 650 600 550-0.793-0.4003-22.938-0.793-0.4003-22.94-0.7929-0.4004-0.4004-22.942-0.7929 Longitude[Graus] -0.4005-0.7928-0.4005 Latitude[Graus] -22.944-22.946-22.948-45.437-45.436-45.435-45.434-45.433-45.432-45.431-45.43-45.429-45.428-45.427 Longitude[Graus] Gráfico em 2D e 3D da trajetória e altitude obtida com o GPS 30
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
Contatos: Glêvson Diniz Franco glevson@hotmail.com glevson@ita.br glevson@krypem.com Vector-P após as modificações FIM 32