veículos autónomos aéreos
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VEÍCULOS AUTÓNOMOS AÉREOS Alfredo Martins José Almeida Laboratório de Sistemas Autónomos Instituto Superior de Engenharia do Porto http://www.lsa.isep.ipp.pt Sumário z Conceito UAV z Aplicações z Panorama actual z Caracterização z Exemplos de veículos z Competições e organizações internacionais z Veículo Aéreo Autónomo do ISEP: FALCOS z Objectivos z Aplicações z Arquitectura do sistema z Sub-Projectos em curso z Estado do projecto e perspectivas futuras Veículos Autónomos Aéreos 2 Conceito UAV UAV UAV“Unmanned “UnmannedAerial AerialVehicle” Vehicle”-- veículo veículoaéreo aéreonão nãotripulado tripulado • Estação de controlo de terra • Sistema de comunicações • Veículo Aéreo • Sistema de lançamento • Sistema de recolha Veículos VeículosPilotados PilotadosRemotamente Remotamente(RPV) (RPV) Drones, Drones,veículos veículoscom comautonomia autonomialimitada limitada Veículos VeículosAutónomos Autónomos Veículos Autónomos Aéreos 3 Aplicações Civis Civis Militares Militares z Reconhecimento z Ataque z Apoio a combate z Alvos Veículos Autónomos Aéreos z Busca e salvamento z Mapeamento z Prevenção de fogos z Comunicações z Monitorização ambiental z Investigação Atmosférica z Agricultura z Monitorização de trafego z Fotografia e filmagem z Promoção e publicidade 4 Panorama actual Aplicações Aplicaçõesmilitares militarescomo comomotor motorde dedesenvolvimento desenvolvimentode deUAVs UAVs USA: USA:Department Departmentof ofDefense Defense(DoD) (DoD)principal principalpromotor promotor •10 •10plataformas plataformasem emexecução execuçãoou ouoperacionais operacionais •387 •387milhões milhõesde dedólares dólaresde deorçamento orçamentopara para2002 2002 •contratos •contratoscom comas asprincipais principaisempresas empresasaeronáuticas aeronáuticas(Boeing, (Boeing,Lockeed Lockeedetc) etc) EUROPA: EUROPA: •Industria •Industriaareo-espacial areo-espacialinteressada interessada •Alguns •Algunsavanços avançoslegislativos legislativosna naFrança Françaeepaíses paísesnórdicos nórdicos AUSTRALIA: AUSTRALIA:um umdos dospólos pólosde dedesenvolvimento desenvolvimentodeste destetipo tipode desistemas sistemas •Forte •Forteinteresse interesseem emaplicações aplicaçõescivis civis •Legislação •Legislaçãoespecífica específicajájáaprovada aprovada •Universidade •Universidadede deSydney Sydneypossui possuium umgrupo grupode deinvestigação investigaçãobastante bastanteactivo activo Veículos Autónomos Aéreos 5 Promotores Estados EstadosUnidos Unidos Aplicações Aplicaçõesmilitares militares(DARPA (DARPAeeDoD DoDem emcolaboração colaboraçãocom comaaindústria) indústria) Programa ProgramaERSAT ERSATda daNASA NASA(monitorização (monitorizaçãoatmosférica) atmosférica) Univ. Univ.Stanford Stanford Arizona ArizonaState StateUniversity University Georgia GeorgiaTech. Tech. Universidade Universidadede deBerkeley Berkeley MIT MIT Europa Europa Indústria Indústria(Aerospatiale, (Aerospatiale,SAAB,Bosch) SAAB,Bosch) Universidade Universidadede dePisa Pisa Universidade Universidadede deGlasgow Glasgow Veículos Autónomos Aéreos Australia Australia ATF ATF- -Aerospace AerospaceTechnology TechnologyForum Forum Universidade Universidadede deSydney Sydney 6 Estação de controlo em terra Veículos Autónomos Aéreos 7 Estação de controlo em terra Portáteis Portáteis “Menos” “Menos”Portáteis Portáteis Interface Interfacegráfico gráfico Veículos Autónomos Aéreos 8 Lançamento Descolagem Descolagemhorizontal horizontal Catapulta Catapulta Largados Largados Veículo Veículo Foguete Foguete ÀÀmão mão Descolagem Descolagemvertical vertical Veículos Autónomos Aéreos 9 Recolha Gancho Gancho Vertical Vertical Veículos Autónomos Aéreos Rede Rede Paraquedas Paraquedas Parapente Parapente 10 Veículo z “Airframe” ou estrutura mecânica z Propulsão z Avionics (Controlo e navegação) z Sist. Energia electrica z Comunicações Veículos Autónomos Aéreos 11 Tipos de veículos z Aviões z Balões ou dirigíveis z Drones z Helicópteros Veículos Autónomos Aéreos 12 Exemplos de UAVs SPAWAR - Space and Naval Warfare Systems Center MSSMP - Multipurpose Surveillance and Security Mission Platform Veículos Autónomos Aéreos 14 DoD - Darkstar Veículos Autónomos Aéreos 15 DoD - Predator (General Atomic) Veículos Autónomos Aéreos 16 DragonFly (Univ. Stanford) Veículos Autónomos Aéreos 17 MIT Information Control Eng. Lab. Veículos Autónomos Aéreos 18 NASA Dryden DrydenFlight FlightResearch ResearchCenter Center ERAST ERAST- -Environmental EnvironmentalResearch ResearchAircracft Aircracftand andSensor SensorTechnology Technology •Desenvolver •Desenvolvertecnologia tecnologiaUAV UAV •Aplicações •Aplicaçõescientíficas científicas •Miniaturização •Miniaturizaçãode deinstrumentos instrumentoscientíficos científicos •Melhorar •Melhorarfiabilidade fiabilidade •Autonomia •Autonomiade devôo vôo •Altitude •Altitudeeecondições condiçõesde devôo vôo JPL JPL--Jet JetPropulsion PropulsionLaboratory Laboratory Integração Integraçãode detecnologia tecnologia(Grupo (Grupode deInteligência InteligênciaArtificial) Artificial) Veículos Autónomos Aéreos 19 NASA Perseus B Veículos Autónomos Aéreos 20 NASA Altus II Veículos Autónomos Aéreos 21 NASA Proteus Veículos Autónomos Aéreos 22 NASA Helios Veículos Autónomos Aéreos 23 Competições z International Aerial Robotics Competition (Georgia Tech) Em Em2002 2002em emCalgary, Calgary,Canada Canada Equipa Equipatem temde deter terestudantes estudantes Vôo Vôode de33Km Kmeeidentificação identificaçãode dealvos alvoseediferentes diferentesestágios estágios de autonomia de autonomia z Micro Aerial Vehicle Competition (ASU) Desenvolvimento Desenvolvimentode detecnologia tecnologiade devôo vôo Veículos Veículostele-guiados tele-guiados Ênfase Ênfasena naminiaturização miniaturização Fotografar Fotografarum umalvo alvode de1m 1mnuma numaàrea àreade de600 600m2 m2 Veículos Autónomos Aéreos 24 Organizações European UnmannedVehicle Systems Association www.euro-uvs.org Unmanned Aerial Vehicle Systems Association www.uavs.org Association for Unmanned Vehicle Systems International www.auvsi.org Unmanned Aerial Vehicle Center www.uavcenter.com Veículos Autónomos Aéreos 25 Veículo Aéreo Autónomo do ISEP FALCOS - Flight Aerial Light Cooperative Observation System Objectivos z Desenvolver um veículo aéreo autónomo do ISEP z Investigação em controlo e navegação de veículos autónomos z Demonstração da competência técnica do ISEP numa àrea de tecnologia de ponta z Potenciar “know-how” existente desenvolvendo uma aplicação de forte interesse económico e social z Vertente educativa (contacto inicial dos alunos em diferentes graus com projectos de investigação) Veículos Autónomos Aéreos 27 Conceito Veículos Autónomos Aéreos 28 Aplicações z Prevenção e combate a fogos florestais z Operações de busca e salvamento z Monitorização ambiental z Mapeamento e fotografia aérea Veículos Autónomos Aéreos 29 Requisitos z Baixo custo z Areas de operação de média dimensão (dezenas de km) z Baixa altitude z Desenvolvimento incremental do projecto z Elevada autonomia (em tempo e em execução da missão) z Equipamento de suporte em terra reduzido e portátil z Fácil operação, lançamento e recolha Veículos Autónomos Aéreos 30 Opções de projecto z Boa Boaautonomia autonomiade devôo vôo Aerodinâmicamente Aerodinâmicamenteestável estável “Airframe” tipo avião Dimensões Dimensõesreduzidas reduzidas z Base modelo RC z SBC PC com Linux a bordo z z Base Basebaixo baixocusto custo Implementação Implementaçãoincremental incrementaldo doprojecto projecto Sensores de baixo custo Ligação rádio ethernet Capacidade Capacidadecomputacional computacional Tecnologia Tecnologiastandard standard Sistema Sistemaaberto aberto Sensores Sensoresde denavegação navegação Sensores Sensoresde deaplicação aplicação Protocolos Protocolosstandard standard Baixo Baixocusto custo Alto Altodébito débito Veículos Autónomos Aéreos 31 Arquitectura do sistema Veículo Comutação Comando Servos Estação Base Receptor GPS Receptor GPS Receptor GPS Receptor RC Stack 104 PWM Servos PWM Módulo Controlo Eixos Pitot Aquisição Sinal Modem Ethernet RS232 Pan &Tilt S. Pressão Acelerometros PC Linux (SBC) Giroscopios Receptor GPS PC Veículos Autónomos Aéreos Modem Ethernet 32 Protótipo z z z z z z z z z z z 1 protótipo de teste disponível modelo RC com 1.8m envergadura SBC x86 com Linux motor de combustão 3 receptores GPS sensor pressão sensor pressão diferencial giroscópio baixo custo acelerómetros triaxiais bússola digital link rádio ethernet Veículos Autónomos Aéreos 33 Sub-projectos em curso Placa Placade deinterface interfacesensorial sensorialem emsistema sistemaPC104 PC104 z Placa genérica conversão A/D (entradas analógicas) z Condicionamento de sinal base z Entradas para medição de largura de impulsos z Elementos fundamentais: uControlador + FPGA + conversores A/D Sistema Sistemade denavegação navegaçãopara paraveículo veículoautónomo autónomoaéreo aéreo z Interface com sensores de navegação baixo custo: pressão, giroscópios, acelerómetros z Instrumentação do avião z Testes e caracterização dos sensores Veículos Autónomos Aéreos 34 Sub-projectos em curso Consola Consolade deinterface interfacede denavegação navegaçãopara paraveículo veículoautónomo autónomoaéreo aéreo z Interface de operação do sistema z Visualização de dados de navegação e controlo z Visualização de dados de aplicações z Ambiente PC - Linux Sistema Sistemade deNavegação Navegaçãobaseado baseadoem emGPS GPS z Interface com 3 receptores GPS z Determinação da atitude do veículo pela informação GPS dos 3 sensores z Posicionamento com correcções diferenciais z Caracterização dos receptores e da precisão do sistema Veículos Autónomos Aéreos 35 Sub-projectos em curso Controlo Controlodo domotor motorde decombustão combustão z Caracterização do motor z Sistema de medição de rpm (óptico) z Controlo de velocidade do motor Sistema Sistemade decontrolo controlode deservomecanismos servomecanismoseecomutação comutaçãode decomando comando z Geração do PWM para cada servo z Interface com o PC de bordo z Comutação do controlo rádio para vôo autónomo z Mecanismo de segurança de vôo (perda de sinal rádio ou falhas) Veículos Autónomos Aéreos 36 Sub-projectos em curso Sistema Sistemade demanutenção manutençãode delink linkrádio rádio z “Pan & Tilt” para orientação de antena direccional z Orientação da antena para o avião z Estação GPS em terra e envio de correções diferenciais Sensor Sensorde dedetecção detecçãode defocos focosde decalor calor z Sistema de aquisição de imagem (CCD e câmaras standard) z Detecção por análise de imagem visivel e imagem infra-vermelha z Baixo custo Veículos Autónomos Aéreos 37 Estado do projecto z Testes de vôo realizados com o protótipo z Recolha de imagens a bordo, com o vôo preliminar z Sistema preliminar de comutação de comando desenvolvido z Sistema de navegação GPS em execução z Desenvolvida placa de geração de PWM para os servos com interface ISA z Testes preliminares de sensores de navegação (acelerómetros, sensores de pressão e giroscópios) z Estudo de filtragem na recolha de imagem para determinação de fontes de calor Veículos Autónomos Aéreos 38 Perspectivas futuras z Testes de vôo com recolha de imagens de fogo (visivel e “near IR”) z Integração do sistema GPS no protótipo z Integração dos sensores de navegação e recolha de dados z Modelização do veículo z Desenvolvimento do sistema de controlo e navegação z Desenvolvimento de interface de controlo e operação z Missões com vôo parcialmente autónomo z Descolagem autónoma z Aterragem autónoma Veículos Autónomos Aéreos 39 LSA Contactos: Alfredo Martins Eduardo Silva José Almeida SITE: SITE: [email protected] [email protected] [email protected] http://www.lsa.isep.ipp.pt http://www.lsa.isep.ipp.pt Veículos Autónomos Aéreos 40