Jakt-Scener

Este manuscrito descreveu o desenvolvimento completo de um sistema de localização 3D de baixíssimo custo para aplicação em robôs aéreos de pequeno porte, curto alcance e que não atuem em modos de vôo extremos. O sistema é capaz de, a partir de uma estimativa de seu estado inicial, fornecer estimativas de posição, velocidade e atitude durante seu período de operação. Apesar da aparente especificidade, o sistema possui muitas outras aplicações, desde animação e realidade virtual até treinamento esportivo.

Foram apresentadas diversas considerações acerca dos componentes indicados para compor o sis- tema, diante das diversas restrições apresentadas por tais aeronaves, entre as quais podem ser citadas as limitações de peso, dimensão, consumo de energia e custo. Além disso, há restrições relacionadas ao ambiente no qual o veículo para o qual se projetou o presente sistema irá operar. Assim, sistemas exteroceptivos baseados em ambientes específicos ou que necessitem de instalação de dispositivos adicionais em tal ambiente foram descartados. Dessa maneira, o sistema projetado confirmou sua tendência generalista, visto que suas estimativas independem do ambiente de operação e da instala- ção de demais dispositivos.

Diante desse contexto, os seguintes componentes foram escolhidos para compor o sistema: sen- sores inerciais baseados em tecnologia MEMS, receptor GPS, conjunto de magnetômetros e sensor de pressão. A partir de então, foi promovido um estudo dos modelos de tais sensores, de forma a se conhecer as limitações e as contribuições que tais elementos poderiam fornecer ao sistema inte- grado de localização 3D. O Capítulo 2 trata desses componentes, bem como de considerações acerca dos sistemas de coordenadas utilizados e das arquiteturas de integração disponíveis. Nesse capítulo, apresentam-se algumas considerações acerca dos sistemas de coordenadas adotados e define-se que a representação da atitude se dará por quatérnios. O Anexo A. também trata da representação de rotações em sistemas de coordenadas 3D.

Uma das principais etapas do trabalho desenvolvido foi a escolha dos componentes que seriam empregados no sistema e o próprio projeto do prótotipo confeccionado. Além de um grande aprendi- zado pessoal, tal trabalho estabeleceu as bases para projetos de sistemas de dimensões mais reduzidas e desempenho superior. Além disso, as atividades desenvolvidas possibilitaram maior compreensão das possíveis aplicações que tais componentes de baixo custo podem ter na engenharia. A constru- ção do sistema envolveu a montagem da placa de circuito impresso e o desenvolvimento do software embarcado, etapa em que uma série de contratempos teve de ser superada. Neste contexto, foi de-

senvolvido neste trabalho, por exemplo, um procedimento de calibração inicial simples e rápido que produz consistentes melhorias no desempenho individual de cada sensor, em especial dos acelerô- metros e magnetômetros. Tal procedimento de calibração inicial, que pode ser utilizado em outros projetos que empregam dispositivos de natureza semelhante, confirma as características de baixo custo do presente projeto. O Capítulo 3 trata destes temas.

A partir do instante em que o sistema foi finalizado e decretou-se que o mesmo estava pronto para os diversos experimentos de localização 3D, a elaboração dos algoritmos de fusão sensorial passou a ser a maior preocupação do projeto. O algoritmo escolhido inicialmente foi o Filtro de Kalman Estendido (FKE), tanto por ter sido largamente utilizado em problemas dessa natureza, quanto pela relativa facilidade de implementação e facilidade de sintonização. Primeiramente, foi projetado um filtro capaz de fornecer apenas estimativas da atitude a partir das medidas disponibilizadas pelo con- junto de girômetros, acelerômetros e magnetômetros. A execução em tempo real de tal algoritmo no microcontrolador mostrou-se factível e a visualização da atitude estimada foi realizada com o auxílio de um ambiente de simulação 3D. Os resultados evidenciaram a robustez do sistema projetado às principais limitações apresentadas pelos dois métodos utilizados para determinação da atitude. Tal desenvolvimento foi descrito no início do Capítulo 4.

Em seguida, partiu-se para o desenvolvimento do algoritmo completo para determinação da ati- tude, posição e velocidade do sistema a partir dos dados disponíveis. Tal desenvolvimento foi descrito no restante do Capítulo 4. A integração dos dados foi novamente baseada no FKE e novamente houve preocupação de se projetar um algoritmo que permitisse facilmente a avaliação de diversas configu- rações do filtro. Assim, pôde-se avaliar o desempenho do sistema nos casos em que apenas parte dos sensores estavam disponíveis. Além disso, pôde-se avaliar com maior precisão o desempenho de algu- mas outras características do filtro projetado, como a calibração online dos biases e fatores de escala dos sensores inerciais e a utilização de pseudo-observação para se garantir a unicidade do quatérnio. O desempenho desse algoritmo foi verificado experimentalmente em uma série de experimentos rea- lizados com o apoio de um automóvel. Dados foram coletados também relativos a situações em que o sistema operou em condições menos favoráveis, como durante ausência de informações do receptor GPS e em ambientes nos quais a medida do magnetômetro era corrompida por efeitos diversos.

Diante de todas essas considerações, o sistema projetado foi capaz de fornecer estimativas de qualidade da atitude, posição e velocidade do veículo sob condições de operação semelhantes às en- contradas em VANTs de pequeno porte, curto alcance e que não atuem em modos de vôo extremos. Há de se destacar, porém, algumas limitações do sistema, em especial a degradação da estimativa for- necida quando a informação proveniente do receptor GPS não é disponibilizada por longos períodos de tempo. Em tal situação, pequenos erros na estimativa de atitude propagam-se para as estimativas de velocidade e posição. Infelizmente, porém, não foi possível avaliar o desempenho do sistema em um robô aéreo em operação. Porém, assim que as condições para tal experimento sejam estabelecidas, será conduzida tal verificação.

Por fim, é importante destacar mais uma vez a generalidade do sistema projetado. Tal generali- dade não se manifesta apenas no grande número de aplicações em que se pode utilizar um sistema de localização 3D com as características do sistema projetado, mas também na possibilidade de se utilizar diretamente o mesmo algoritmo de integração apresentado, que é o principal produto forne-

cido por este trabalho, com outros modelos de sensores e, assim, obter um sistema de desempenho distinto. De fato, acredita-se que, num futuro breve, sensores de baixo custo e de qualidade superior estarão disponíveis no mercado, o que possibilitará a construção de sistemas ainda mais precisos, porém baseados no mesmo algoritmo.