Sensoreamento sem fio em aeromodelos radiocontrolados · Sensoreamento sem fio em aeromodelos radiocontrolados Rodolfo R. de Sousa1 (beneficiario), Cintia Borges Margi´ 1 (orientadora)

Sensoreamento sem fio em aeromodelos radiocontrolados

Rodolfo R. de Sousa1 (beneficiario), Cintia Borges Margi1 (orientadora)

1 Departamento de Engenharia de Computacao e Sistemas Digitais (PCS)Escola Politecnica da USP (EPUSP)

Av. Prof. Luciano Gualberto, Travessa 3, no380 - Sao Paulo / SP

Resumo. Neste projeto se desenvolveu um sistema de sensores sem fio a serinstalado em aeronaves radiocontroladas de pequeno porte. O sistema permiteaquisicoes de dados como localizacao (GPS), inclinacao, orientacao, forcas-gatuantes e velocidade do aviao em relacao ao ar e ao solo.

Foi desenvolvida uma rede de sensores sem fio (RSSF) de forma que seja flexıvel,compacta e de simples instalacao – a fim de proporcionar ensaios em voo deprototipos de avioes de maneira precisa e agil. O objetivo foi de melhor aces-sorar os testes destas pequenas aeronaves, possibilitando os projetistas con-hecerem sob quais condicoes o veıculo se encontrou durante um voo: de formaque se comprovem (ou nao) seus calculos teoricos, ou ate mesmo de que sejapossıvel um diagnostico mais apurado de uma eventual falha que possa teracontecido no aviao durante o teste.

Pretendeu-se neste projeto de iniciacao cientıfica aprofundar o conhecimentoem sensoreamento remoto e aviacao atraves do estudo, projeto e execucao fısicado sistema proposto. Ao longo do seu desenvolvimento, foram feitas escolhasdo hardware a ser utilizado, de meios de validacao e teste dos dados adquiridospela rede de sensores, de execucao de prototipos e de realizacao de voos-teste,alem da redacao da documentacao e pesquisas bibliograficas requeridas paraa realizacao de um projeto completo.

O presente documento trata do relatorio final deste projeto, cujo numero deprocesso FAPESP e 2012/05834-4.

1. IntroducaoHa 13 anos acontece a competicao SAE Brasil AeroDesign, que incentiva algunos degraduacao de todo o paıs a projetarem avioes radiocontrolados de pequeno porte quesejam otimizados para objetivos propostos por sua comissao tecnica julgadora.

A ideia deste trabalho de iniciacao cientıfica e de implementar um sistema desensoreamento sem fio para estes avioes, com fim de fundamentar o projeto teorico dapropria aeronave, bem como fazer registros de voo que permitam recontruı-lo — similara uma ”caixa preta” de um aviao civil de grande porte.

Na proposta deste projeto foram apresentados os objetivos e plano de execucaodo trabalho. Estes serao detalhados nos topicos abaixo, com uma breve apresentacao dosresultados obtidos ao final de um ano de projeto.

Figure 1. Funcionamento geral do sistema

1.1. MotivacaoRede de sensores sem fio (RSSF) e uma tecnologia bastante utilizada para monitorar e at-uar em variados cenarios, desde monitoramento voltado a agricultura [Costa et al. 2012]a acompanhamento de condicoes ligadas a saude [Alves et al. 2012]. Constantementesurgem novas aplicacoes desta tenologia, destacando-se aqui aquelas relacionadas aaeronaves radiocontroladas.

O desenvolvimento de pequenas aeronaves nao tripuladas inclui: VANTs(Veıculos Aereos Nao Tripulados), avioes autonomos controlados baseados emleituras de sensores; e avioes pilotados por radiocontrole, como os da competicao[SAE-Brasil 2012], que incentiva alunos de graduacao de mais de 70 universidadesbrasileiras a desenvolverem aeronaves cargueiras de dimensoes reduzidas.

O projeto de uma aeronave pequena nao e simples. Existem modelos teoricosbem estabelecidos para aeronaves de dimensoes e velocidades maiores [Phillips 2004],mas faltam experimentos que comprovem que tais metodos tambem se aplicam a avioesmenores. Outro ponto e que em avioes pequenos, frequentemente, se possui pouco espacopara um sistema de avionica/caixa preta que capture e grave dados de voo relevantes parao piloto e projetistas. Isto se soma ao fato de que o preco da eletronica embarcada podeser alto demais comparado ao reduzido preco do aviao em si.

Portanto, conclui-se que grande parte da distancia tecnologica entre aeronaves depequeno porte e grandes avioes civis (com complexos sistemas como os de fly-by-wire,[Airbus 2012]) se da pelo fato de que a eletronica em avioes menores tende a ser restritae pouco expressiva. Pretende-se portanto estreitar esta relacao atraves de sensoreamentosem fio aplicado a tais aeronaves menores.

1.2. Cronogramas

A seguinte sequencia de etapas foi proposta ao inıcio deste projeto. Suas etapas saodescritas ao longo deste documento nao necessariamente na ordem que foram realizadas.

1. Revisao bibliografica sobre redes de sensores sem fio;2. Pesquisa e escolha de microcontroladores e sensores a serem utilizados;3. Implementacao do primeiro prototipo, fora da aeronave;4. Realizacao de testes que validem as leituras dos sensores;5. Pesquisa sobre autonomia da bateria do sistema e alcance do sinal emitido;6. Pesquisa sobre como realizar uma instalacao fısica otima, de forma que evite im-

precisoes de leitura, interferencias eletromagneticas e de que ocupe pouco espacona aeronave;

7. Implementacao do segundo prototipo e instalacao na aeronave;8. Refino e otimizacao geral do sistema, em especial do software de vizualizacao de

dados;9. Redacao do relatorio final;

10. Publicacao dos resultados em conferencias relevantes;11. Participacao no SIICUSP, Simposio Internacional de Iniciacao Cientıfica da USP

(que costuma ocorrer no mes de novembro);

2. Projeto preliminar

Nesta etapa do projeto, buscou-se fundamentar ainda mais o escopo do projeto, trabalhoiniciado a proposta. Fez-se atraves de fundamentacao bibliografica a escolha de sensorese plataformas de hardware que seriam mais estudadas nas etapas seguintes do projeto.

2.1. Revisao bibliografica e trabalhos relacionados

A tecnologia em que se baseia este sistema de sensoreamento de aeronaves e a de re-des de sensores sem fio, (RSSF). Estas redes possuem caracterısticas especiais que asdiferem das redes de computadores tradicionais, inclusive das redes sem fio convencionaispadrao IEEE 802.11 [IEEE 1997]. Segundo [Margi 2006], podem ser entendidas comouma classe especial de redes ad-hoc de multiplos saltos (MANETs - multi-hop ad-hocnetworks), sendo que ambas possuem arquitetura flexıvel nas quais os elementos utilizamcanais de comunicacao sem fio para estabelecer uma comunicacao diretamente entre si.As MANETs suportam recursos computacionais nos quais os elementos executam difer-entes tarefas. As RSSF normalmente utilizam metodos colaborativos nos quais os nossensores enviam dados a um no sorvedouro (ou estacao base), para serem processadospela aplicacao.

Um uso comum de avioes em conjunto com RSSF e o de mobile sink, ou mobilegateway, onde o aviao atua como o no da rede responsavel por coletar dados de um campode sensores espalhados fisicamente. Tal uso se faz interessante em localidades ondemetodos convencionais de comunicacao (como celular e internet) nao sao disponıveis,como em aplicacoes de monitoramento na area de agricultura [Costa et al. 2012]. Outrasaplicacoes de RSSF utlizando avioes incluem monitoramento de trafego ou poluicao ur-bana [Teh et al. 2008] mostrando que RSSF e avioes (em especial os VANTs, autonomos)sao integraveis.

No entanto, a aplicacao de RSSF especıfica para monitoramento com foco emaeronaves radiocontroladas e um assunto ainda pouco explorado. Em aeronautica, hatrabalhos que utilizam a tecnologia para verificar o estado e conservacao de avioes degrande porte [Tedavalli and Belapurkar 2011]. Existe tambem aplicacoes de sensorea-mento voltado a aeronaves leves, porem tripuladas [da Silva and de Oliveira 2005].

Um ponto de aproximacao deste projeto com os relacionados e o de projetos deVANTs, como [Sampaio 2006] e [Singh and Ranjan 2011]. Porem, alem de nao aplicarRSSF, tais trabalhos tem foco no controle da aeronave, e nao no sensoreamento em si.

A telemetria em avioes de pequeno porte e existente, porem frequentemente cus-tosa e fechada a modificacoes (como a telemetria utilizando sistemas comerciais). Opresente estudo, portanto, tambem se torna interessante por tentar flexibilizar a solucaodeste problema utilizando para tal as RSSF.

Utilizando RSSF, por exemplo, se torna possıvel que cada um dos sensores daaeronave seja desacoplado e instalado em pontos distantes dos outros, evitando o usoexcessivo de cabos (que e da ordem de centenas de kilometros em um aviao de transportecivil). Ou pode-se tambem se estabelecer um link em tempo real com uma central emterra, que e o caso abordado neste projeto.

2.2. Microcontroladores

Feita revisao bibliografica, e paralelamente a ela, foi escolhida uma plataforma de desen-volvimento. Duas plataformas foram utilizadas neste projeto: Arduino e Microsoft .NETGadgeteer. Ambas permitem desenvolvimento rapido e modular atraves de bibliotecasdisponibilizadas pela comunidade e suporte. As caracterısticas tecnicas dos modulos us-ados neste projeto podem ser vistas na tabela 1.

Table 1. Especificacoes tecnicas gerais: Arduino Uno [Arduino ] e .NET Gad-geteer [GHIElectronics ]

Caracterıstica Arduno Uno .NET Gadgeteer FEZSpider Mainboard

Base Microcontrolador ATmega328 Modulo GHI EMX(processador ARM, RAM

e Flash nao integrados)Processador 16MHz (ATmega328) ARM7 32-bit 72MHz

Memoria 2KB 16MB RAMArmazenamento 1KB EEPROM, 32KB Flash Flash 4.5MBEntrada/Saida 14 pinos E/S digitais (6

com output PWM) e 6inputs analogicos

USB Device, 14 sockets.NET Gadgeteer.

Capacidade PWM,Ethernet e USB Host

Por motivos de disponibilidade rapida de recursos no laboratorio, os primeirostestes realizados foram feitos na plataforma Arduino. Posteriormente, na etapa decalibracao e avaliacao de sensores, trabalhou-se primariamente com a plataforma Mi-crosoft .NET Gadgeteer.

A escolha do .NET Gadgeteer para validacoes dos sensores foi feita pois se tratade uma plataforma de rapida prototipagem, que permite teste com diversas combinacoesde sensores sem grandes mudancas e adaptacoes de hardware. Alem disso, apesar deainda estar em desenvolvimento, o codigo necessario para realizar aquisicao de dados esimples por existirem bibliotecas prontas para a maioria dos sensores suportados. Taiscaracterısticas foram primordiais para se avaliar diferentes combinacoes de sensores ob-jetivando o projeto final.

2.3. SensoresLevantou-se primeiramente um conjunto de grandezas relevantes para o monitoramento,a fim de que se escolhesse posteriormente sensores que fornecessem tais informacoes:

• Velocidade relativa da aeronave com relacao ao ar. Todas as forcas exercidassobre as superfıcies aerodinamicas de um aviao sao funcao desta velocidade sendomedida (e nao de sua velocidade absoluta com relacao ao chao);

• Orientacao espacial da aeronave: Diz respeito a mecanica de voo da aeronave,permitindo validacoes de calculos de estabilidade do aviao e desempenho emdecolagem e voo. Permite monitorar razao de subida na decolagem e angulosde rolagem em curva, por exemplo;

• Condicoes atmosfericas: Tambem entram no calculo de todas as forcas do aviao.Um importante dado de projeto diretemente dependente de tal medida e a MTOW(Maximum Takeoff Weight), funcao da forca de empuxo do motor, arrasto esustentacao em pista, que por sua vez sao todos funcoes da densidade do ar lo-cal.

Alem destas caracterısticas de sensoreamento, o sistema tambem deveria ser capazde armazenar os dados sensoreados localmente (a fim de menor volatilidade do registro),e o comunicacao sem fio. As especificacoes modulos de hardware de fato utilizados seraodescritas ao longo deste documento, junto as suas secoes correspondentes.

2.4. SistemaO sistema projetado tem o objetivo de realizar o sensoreamento do aviao, enviar os da-dos para uma estacao base (onde podem ser visualizados em tempo real), e registrarinformacoes de voo em memoria nao volatil.

A flexibilidade de instalacao e simplicidade de operacao foram tomados comorequisitos nao funcionais do sistema, a fim de possibilitar que seja usado plenamentemesmo por usuarios que nao sao familiarizados com as rede de sensores sem fio. Alemdisso, priorizou-se um desenvolvimento que facilitasse futuras expansoes de sensores efuncionalidades.

3. Testes com a plataforma Arduino3.1. Alcance radios XBeeA comunicacao sem fio foi o primeiro item a ser testado. Foram feitos testes utilizando omodulo de comunicacao XBee [Digi 2007], cujo protocolo de comunicacao e o 802.15.4(voltado a RSSF), em frequencia de 2.4GHz. Apos a familiarizacao, foram feitos testes dealcance de sinal em campo aberto (situacao de voo) entre dois nos da rede para diversosnıveis de potencia, cujos resultados se encontram abaixo.

Figure 2. Grafico da medicao de alcance em campo aberto do modulo XBee2.4GHz

O datasheet do modulo de comunicacao garante alcance de 90m. Vemos com asmedicoes acima que em campo aberto de fato estes valores sao confiaveis.

3.2. Tubo de Pitot

Foi utilizado um sensor de pressao diferencial para coletar dados de um tubo de pitot aser instalado na aeronave. Tal instrumento e capaz de medir a diferenca de pressao entreduas tomadas, e este resultado e analizado de forma a obter a velocidade do escoamentopela asa do aviao (importante parametro de desempenho da aeronave).

No sistema implementado foi utilizado o sensor modelo 850S,[VectusImportatum ], ajustado ao fundo de escala de 120 Pa, que se mostra adequado asbaixas velocidades que aeronaves radiocontroladas operam.

Um ensaio foi realizado a fim de determinar a curva que relaciona pressao deentrada com tensao de saıda. Para isso foi aplicada uma pequena pressao (atraves de umaseringa) ligada por um conector em T a dois instrumentos de medida: ao sensor sendoensaiado e a um manometro de coluna inclinada padrao (Type 4 manometer, fabricanteAirflow Developments Ltd.).

O experimento foi realizado em temperatura ambiente de 20.6o e pressao at-mosferica local de 928mbar. Para cada ponto experimental foram feitas cinco medicoespara se evitar imprecisoes estatısticas. Foi obtida a reta ∆P [Pa] = (58.00 ±0.31)[Pa/V ] ∗ Vmed[V ] + (152.14 ± 0.98)[Pa], conforme indicado na Figura 3.

V =

√2.(Pestatica − Pdinamica)

γ(1)

Tal resultado garantiu a correta interpretacao dos dados fornecidos pelo sensor, etambem verificar que a escala de medicao do sensor esta adequada a aplicacao. O sensortestado pode medir ate cerca de 100Pa, o que utilizando a Equacao (1), corresponde a

Figure 3. Grafico dos pontos experimentais obtidos no ensaio do sensor depressao diferencial

velocidade do ar de aproximadamente 13m/s. Tal valor e coerente com a velocidadede decolagem estimada teoricamente para o aviao de testes: 10m/s, de acordo com osprojetistas da aeronave [Keep Flying 2012].

3.3. Sensores de orientacao espacial

Tres sensores sao utilizados nesta categoria a fim de medir orientacao (angulacao do aviaocom relacao ao plano horizontal do chao): acelerometro, giroscopio e bussola. Suasmedidas sao integradas no tempo para informar ao usuario do sistema tais angulos. Oacelerometro e usado como base das medicoes espaciais, correspondendo as medidasespaciais com pouca variacao no tempo. Ele basicamente mede a aceleracao gravita-cional, quando esta em repouso ou movimento uniforme (situacao ideal de cruzeiro). Ogiroscopio e bussola atuam no sentido de ajustar dados que nao sao corretamente medidospelo acelerometro seja por sua natureza ou por integracao de imprecisoes. O giroscopioconsegue medir movimentacao mesmo que haja outras aceleracoes envolvidas que nao agravitacional. A bussola e utilizada para corrigir o angulo de derrapagem (yaw) que naoe medido pelo acelerometro por conta de seu eixo ser paralelo ao da gravidade, impos-sibilidade de medicao (mudancas em tal angulo resultam exatamente nos mesmo valoreslidos).

3.4. Baterias

A carga das baterias utilizadas e de 230mAh, de 9V cada. De acordo com testes realiza-dos, o consumo do sistema foi estimado como sendo, em pico (acelerometro, giroscopioe pitot coletando dados), de cerca de 180mA. De tal forma, nota-se que a autonomia docircuito e de mais de 1h, muito superior a autonomia de combustıvel da aeronave paraqual se projeta este sistema (de 10 a 15 minutos em media), considerou-se que o registrodo status da bateria nao seria de alta relevancia.

3.5. Primeiro prototipo de voo

Tal sistema foi rapidamente projetado de forma a avaliar a instalacao na aeronave. Aequipe Keep Flying da Escola Politecnica da USP forneceu uma de suas aeronaves paraeste teste. O sistema foi instalado no aviao e dados foram coletados. Nao foi instaladaa parte de comunicacao sem fio de forma a segmentar o que se desejava observar nestafase: esperava-se testar a instalacao no aviao e qualidade dos dados adquiridos.

A instalacao foi acomodada proxima ao centro de gravidade do aviao (dentro deseu compartimento de carga), e a tomada de pressao dinamica do tubo de pitot foi posi-cionado ao bordo de ataque do aviao (regiao frontal). O grande resultado deste teste foi ofato de o motor do aviao impor muita vibracao mecanica ao sistema. Isto fez com que osdados coletados tivessem caracterıstica ruidosa, apontando ao fato de que uma instalacaofısica mais adequada e filtragem dos dados atraves de analise matematica e mecanicase faz necessaria. No entanto, com pesquisa bibliografica percebeu-se que tal filtragemfugiria do escopo deste projeto, como justificado na secao de discussao de resultados.

O voo sensoreado foi tambem filmado. Pode ser acessado a partir do enderecoyoutu.be/WSF0eWeALhs.

Figure 4. Grafico da medicao de aceleracao ao longo de uma decolagem eposicao estimada do aviao

No entanto, apesar da grande vibracao gerada, foi possıvel obter uma boa linha detendencia da posicao do aviao na pista atraves da integracao das medicoes aplicando umfiltro de media movel no pos-processamento, conforme ilustrado na Figura 4.

3.6. Software de visualizacao inicial e formatacao das mensagens

Ao momento deste prototipo inicial, foi desenvolvido paralelamente um software que re-cebia dados de um Arduino com sensores ligado a porta USB de um computador. Estaparte nao foi integrada imediatamente ao sistema inicial baseado em Arduino. Seu obje-tivo foi o de aprendizado da ferramenta de modo a permitir um desenvolvimento futuromais facilitado.

O software de visualizacao e uma rotina para o ambiente MATLAB R© que mon-itora determinada porta serial procurando mensagens no padrao definido. Encontrandotais mensagens, as decodifica e exibe em graficos adequados. Na Figura 10 podemosver dados de um movimento, com aceleracoes e velocidades angulares acopladas (nomesmo grafico, na mesma abscissa). Os dados exibidos em tela (em especial referentes

a orientacao espacial) tambem passam por um filtro de media movel a fim de reduzir osefeitos causados pela vibracao de motores a combustao discutido anteriormente.

Figure 5. Monitoramento de aceleracoes (3 eixos) e velocidades angulares (3eixos) em software MATLAB R©

Quanto as mensagens, optou-se por um mesmo padrao de mensagens assıncronaspara todos os nos da rede (que teoricamente suporta multiplos nos). Note que e um padraosimples (facil compreensao), generico (e aplicavel a quaisquer tipos de dados sendo envi-ados) e expansıvel (nao ha restricao a quantidade de parametros sendo enviados), ilustradona Figura 6.

N <nome1>:<valor1>;<nome2>:<valor2>;<...>;\n

Figure 6. Formato de mensagem enviada

4. Testes com a plataforma .NET GadgeteerInstalado o primeiro prototipo no aviao, foi adquirida experiencia e maturidade sobre oque se esperava do sistema. De tal forma, fez-se a escolha de analizar diferentes tipos desensores atraves da plataforma .NET Gadgeteer.

Nesta plataforma, a partir de uma doacao da Microsoft Research, pode-se trabalharcom diferentes sensores. A partir da placa FEZ Spider — a mainboard — analizou-se osseguintes tipos de sensores, alguns de novos tipos de medida. Foram eles: acelerometro,giroscopio, bussola, barometro e GPS, bem como um modulo de comunicacao WiFi, umde comunicacao com XBees, um display touchscreen de 4 polegadas e um modulo deescrita em cartoes SD.

4.1. Integracao XBeePara o uso do XBee com o Gadgeteer, inicialmente houve grande quantidade de proble-mas, a medida que a biblioteca padrao do sistema nao oferecia metodos adequados paraacessar sua comunicacao. Apos pesquisa sobre como tal seria possıvel, optou-se por umasimples conexao serial entre o Gadgeteer e Xbee (sem utilizar bibliotecas padroes queencapsulariam tal conexao). Tal abordagem foi bem sucedida e foi adotada em outrosdesenvolvimentos nesta plataforma no laboratorio. [GHIElectronics 2013]

4.2. Integracao Tubo de Pitot

A integracao do subsistema de medicao de velocidade (tubo de pitot) foi simples. Como .NET Gadgeteer optou-se por utilizar o mesmo sensor que no Arduino, ja que nao hanenhum sensor especıfico medicao de pressao diferencial como requerido. Sua saıda foiconectada a um modulo com entrada de tensao analogica e seu resultado foi interpretadocomo anteriormente (com a mesma equacao para analise de resultados).

4.3. Acelerometro, Giroscopio e Bussola

Diferentemente do XBee, os dados obtidos do acelerometro, giroscopio e bussola foramfacilmente recuperados atraves de suas bibliotecas padrao [Microsoft 2012]. No entanto,ao ponto da integracao de todos os sensores necessitou-se reduzir a frequencia de suasatualizacoes, topico abordado nas proximas secoes.

4.4. Teste estatico de orientacao

Considerando um aviao em movimento uniforme (situacao ideal de cruzeiro), a unicaaceleracao sensıvel pelo acelerometro e a gravitacional. O seu angulo de arfagem e ro-lagem (pitch e roll) sao calculaveis a partir da leitura desta aceleracao. O angulo dederrapagem (yaw) e mensuravel, complementarmente, a partir de uma bussola digital.

O par acelerometro-bussola, portanto, foi submetido a um teste estatico compara-tivo do sistema, ja que a situacao estatica e analoga a de cruzeiro ideal. Foi usado comocomparacao o sistema FlexMeter, trabalho cientıfico de Renan Alves [Alves et al. 2012]que tambem se baseia em medicao de angulos.

A comparacao foi feita fixando-se fisicamente ambos sistemas de medicao emovendo-os juntamente. Foi levantado cinco pontos para cada angulo que se mediu.Dividiu-se os dados tomados separando-se os angulos calculados a partir do acelerometroe bussola. As diferencas entre os dois sistemas estao mostradas na Tabela 2.

Table 2. Comparacao dos sensores de orientacao

Medicao Sensor responsavel Diferenca maxima Diferenca mediaDerrapagem Bussola Digital 6 ◦ 2,3 ◦

Arfagem e rolagem Acelerometro 4 ◦ 2,2 ◦

4.5. GPS

O GPS foi testado em localidade ao ar livre (sem anteparos que impedem a visada aosatelite), e somente funcionou dentro destas condicoes, o que nao configura um problemaja que o aviao nao e projetado para ambientes fechados.

Para a utilizacao do GPS no sistema de monitoramento de voo, nao e de primordialimportancia a precisao da posicao de uma medida de latitude e longitude. O mais relevantee a posicao relativa entre as medidas, a fim de que se reconstrua o trajeto do voo, ou quese use este dado em algum sistema de ponderamento de varias medicoes congruentes (umfiltro matematico robusto que se baseia na leitura de varios sensores, por exemplo).

4.6. Integracao do sistema e otimizacoes pontuaisNa integracao do sistema, preocupou-se com o efeito que um sensor poderia causar nosoutros, e como o sistema se comportava como um todo, com todos os modulos funcio-nando em conjunto.

A priori, nao se notou maiores dificuldades nesta configuracao. Porem, ao analizara frequencia e timestamps dos dados enviados, percebeu-se que havia um atraso/perda demensagens conforme o sistema funcionava por um tempo maior que alguns segundos. Talproblema foi diagnosticado como sendo uma soma de fatores de excesso de interrupcoesde hardware (varios sensores trabalhando simultaneamento), o que fazia com que o sis-tema nao atendesse alguns deles e consequentemente perdesse informacoes. Outro grandefator de lentidao foi o processo de escrita no cartao SD, cujo tempo de execucao e grande,da ordem de grandeza de milissegundos para a quantidade de dados a ser gravada. Estefato tambem contribuia ao fato de perda de interrupcoes.

Figure 7. Estrutura de hardware dos sensores embarcados na aeronave

Table 3. Frequencia da atualizacao dos sensores antes e apos a integracao dosistema

Sensor Freq. sensor independente Freq. sensor no sistema integradoAcelerometro 20 vezes / segundo 7 vezes / segundo

Giroscopio 20 vezes / segundo 7 vezes / segundoBussola 5 vezes / segundo 4 vezes / segundo

1 vez / 2 segundos, 1 vez / 2 segundosGPS sempre enviando somente enviando

NMEA sentences completas latitudes e longitudesPitot 5 vezes / segundo 5 vezes / segundo

Outro ponto e o fato de que a medida barometrica, por conta da falta de portasde entrada e saida da mainboard, nao foi incluido no pacote de sensores embarcado na

aeronave. Foi feita tal escolha porque as leituras deste sensor nao variam com a posicaoda aeronave no ar, sao uma medicao ”ambiental”, que pode ser tomada em terra.

Ao final, a arquitetura de hardware do sensor ficou como exibida na Figura 7. Ofluxograma que descreve o funcionamento do software dos sensores encontra-se na figura8, e seu codigo fonte se encontra ao final deste documento, em anexo.

Figure 8. Fluxograma do software embarcado no software final embarcado nossensores (.NET Gadgeteer)

Para minimizar tais problemas a ponto que o sistema continuasse funcional,reduziu-se a frequencia das medicoes de acordo com a tabela 3. A resolucao (quantidadede medicoes por segundo) foi considerada suficiente apos analise foi feita em comparacaoao tempo de rolagem (momento que o aviao descola da pista), estimada pela equipe KeepFlying como sendo em torno de 2 segundos.

Alem disso, como o cartao SD registra exatamente todas as informacoes enviadasa estacao base atraves do XBee, necessitou-se diminuir o tamanho dos pacotes de formaque o tempo de escrita no cartao diminuisse. Isto levou a uma nova padronizacao depacote, ilustrado na Figura 9.

TG;TIME;VALOR1; ... ; VALORN\n

Figure 9. Formato de mensagem enviada

O valor TG e representado por dois caracteres que identifica de qual sensor estavindo a mensagem. Por exemplo, PT significa ”Tubo de Pitot”, AC ”acelerometro”, GR”giroscopio”, etc. O proximo campo, um timestamp, tempo do sistema Gadgeteer desde

seu boot. Os proximos N campos sao preenchidos de acordo com o valor TG. Por ex-emplo, pacotes do acelerometro possuem tres valores (aceleracao na direcao X, Y e Z).Outros, como ”NM”, representando uma string NMEA recebida do satelite GPS, apre-senta so um campo: a mensagem. A precisao dos valores numericos foi cortada para 4casas decimais a fim de economizar caracteres a serem salvos no cartao SD (agilizando oprocesso).

Tambem foi adicionado um buffer, para que nao se precise abrir e fechar arquivosconstantemente (tarefa que potencialmente tomaria mais tempo). Foi ajustado o tempo deum esvaziameno de buffer, i.e. escrita em arquivo no cartao SD, a cada segundo.

Com tais alteracoes, o sistema funcionou como esperado. Um fato que nao podeser contornado foi o do tempo de escrita no cartao SD: esta demora faz com que os pacotesrecebidos na estacao base sejam recebidos em bursts. Porem, nao se notou mais perda deleituras de sensores.

Alem de todos estes pontos, a fim de melhor operacao por pessoas que nao partici-param da elaboracao do sistema, foi adicionado um botao para calibracao (reset do ”zero”dos sensores de orientacao) e um led de indicacao de status do cartao SD.

4.7. Software final de visualizacao de dados e nova formatacao das mensagensO novo software de visualizacao de mensagens parte de um design que permite o usuariovisualizar todos os dados colhidos, em tempo real. Basta que conecte ao seu computadoratraves de uma conexao serial um XBee corretamente configurado para a mesma redeque a do aviao. Foi novamente realizado em um ambiente MATLAB R© por se tratar deuma ferramenta de uso comum por todos os projetistas do aviao ao qual este projeto sedesigna, facilitando-os o acesso e manipulacao dos dados colhidos.

Figure 10. Software final de monitoramento dos dados de voo mais relevantesem MATLAB R©

Este novo software simplifica a interacao do usuario com o terminal

disponibilizando-o controles basicos sobre o sistema atraves de uma interface grafica.Nesta nova interface sao calculados em tempo real os angulos do aviao a partir dos dadosrecebidos, assim como plot dos dados de acelerometro e giroscopio.

O fluxograma do software de monitoramento foi desenvolvido com auxılio da fer-ramenta GUIDE, incluıda no MATLAB R©[MathWorks 2013]. A funcao mais substanciale a de callback de inıcio da leitura de dados de comunicacao serial, cujo funcionamento ediagramado na Figura 11. Seu codigo encontra-se em anexo ao final do documento.

Figure 11. Fluxograma do software de monitoramento MATLAB R©

4.8. Sobre a instalacao fısica

Foi averiguado que a instalacao fısica do sistema deveria ser mais minuciosa, no sentidode evitar fısicamente que a vibracao do motor afetasse muito as medicoes do sistema.Para tanto, optou-se por apoiar o sistema em uma espuma razoavelmente rıgida, de formaque ela amortecesse parte da vibracao do motor que se propaga pela estrutura do aviao eatinge os sensores. Outra solucao considerada foi a de fixacao do sistema no aviao atravesde elasticos para o mesmo fim de amortecimento (para que funcionassem como molas).Tal nao foi bem sucedida no sentido de que o sistema ficou excessivamente instavel e

aparentemente amplificava vibracoes em vez de amortece-las, mostrando que para a abor-dagem ter sucesso, se faria necessario um estudo mecanico da vibracao do sistema desensores, motor e estrutura do aviao a fim de se dimensionar elasticos/molas para atenuartal efeito. Continuou-se com a opcao de fixacao com espumas, portanto.

4.9. Segundo prototipo

O segundo prototipo em voo seria o teste exatamente do projeto integrado descrito nassecoes anteriores. No entanto, por conta de incompatibilidade de agendas entre esteprojeto e a equipe Keep Flying, que disponibilizaria uma aeronave para testes, nao foipossıvel realizar um ensaio em voo (por conta de atrasos, o primeiro voo de 2013 daequipe Keep Flying se realizou apenas no dia 08/Jun/2013, apenas dois dias antes daentrega deste relatorio).

5. Contribuicoes

Foi considerado na proposta a participacao do SIICUSP, evento voltado a apresentacao detrabalhos iniciacao cientıfica da USP. No entanto, a epoca do prazo para o SIICUSP 2012,este projeto ainda estava em sua fase preliminar, de forma que ainda nao havia material aser exposto: optou-se pela nao participacao.

No entanto, ao longo do ano, paralelamente as atividades diretamente ligadas aodesenvolvimento do projeto, foram elaborados textos cientıficos sobre o sistema para duasconferencias. O primeiro, para o Simposio Brasileiro de Redes de Computadores, comoartigo a trilha principal de tıtulo ”Monitoramento em tempo real de aeronaves radio-controladas baseado em rede de sensores sem fio”; e o segundo ao Simposio Brasileiroem Telecomunicacoes, como trabalho de iniciacao cientıfica e tıtulo ”Real-time AircraftTelemetry using Wireless Sensor Network”. O primeiro nao foi aceito, e o segundo aindaesta em processo de avaliacao. O desenvolvimento de ambos foi muito positivo e agre-gou a estruturacao do projeto e a formacao cientıfica do beneficiario como experiencia deredacao academica.

6. Discussao dos resultados

Nesta secao serao discutidos os resultados colhidos em um ano de trabalho deste projeto,apresentado nas secoes anteriores.

6.1. Sobre a escolha dos sensores e motivos da definicao do escopo

Ha muito o que se sensorear em uma aeronave, seja ela de grande ou pequeno porte.Portanto, a etapa de escolha de sensores foi de grande importancia para a definicao do es-copo final deste projeto. A escolha dos sensores foi grandemente baseada em necessidadeda equipe Keep Flying: o requisito era basicamente se estudar a decolagem do aviao,considerada a etapa de voo mais crıtica. Os sensores escolhidos satisfizeram a medidade basicamente dois importantes parametros de desempenho: grau de subida (angulo deinclinacao do aviao na decolagem) e velocidade no final da pista.

A equipe ate 2012 sempre baseou estas medidas em modelos teoricos envolvendoo atrito das rodas do aviao com o solo e suas caracterısticas aerodinamicas estimadas.Porem, nos ultimos anos, por restricoes do regulamento da competicao, a geometria da

aeronave se tornou mais complexa (basicamente, com fuselagem ocupando maior vol-ume). Para tais geometrias nao-usuais, nao ha modelos teoricos bem definidos para seestimar com precisao os dados aerodinamicos da aeronave, base de todo o conhecimentosobre o aviao. Hoje, porntanto, o desenvolvimento aerodinamico da equipe se baseiaem simulacao computacional (com softwares de CFD, Computational Fluid Dynamics) emetodos empıricos atraves de ensaios de tunel de vento e prototipos para voo.

Este projeto foi importante no sentido de ajudar a parte de ensaios que validam val-ores obtidos por metodos de simulacao numerica. Com apenas estes dois dados: anguloe velocidade relativa do ar, e possıvel estimar tais coeficientes em um pos processamentoda informacao sensoreada.

6.2. Sobre a qualidade dos dados colhidos em voo e filtragem

Um grande desafio enfrentado no projeto foi a presenca de ruıdo nos dados colhidosdevido a vibracao que o motor causa no aviao como um todo. Apos o primeiro teste, ficoumais claro que somente a parte de sensoreamento talvez nao fosse suficiente para que seobtivesse dados confiaveis sobre os fenomenos que se desejava estudar.

Portanto, com um pouco de pesquisa, descobriu-se que existem filtrosmatematicos que visam integrar valores de sensores diferentes tentando medir um mesmofenomeno. Isto e, ha varios sensores analizando o fenomeno, mas nao se sabe a priorise os dados que estao sendo coletados estao certos ou nao. Um filtro atuaria no sentidode ponderar se tais dados devem ser considerados na elaboracao do resultado (neste caso,calculo dos angulos de yaw, pitch e roll).

Um aparentemente otimo artefato matematico para tal problema e o filtro deKalman (explicado em [Lagesi 2009] e utilizado em [Lavieri 2011] em uma aplicacaode navegacao submarina). Porem, para esta analise, sao necessarios profundos conheci-mentos do modelo mecanico teorico do comportamento do aviao em voo, que por contade sua elevada complexidade, fugiu do escopo deste projeto.

Ha outros filtros menos confiaveis, porem mais simples de serem calculados eimplementados, como o filtro complementar [Neto et al. 2008]. Porem, tal filtro nao levaem conta o significado dos dados, simplesmente seus valores. Por exemplo, considera-seque em variacoes rapidas o giroscopio responde melhor que o acelerometro e portantosua componente para a formacao do resultado final apresenta maior peso. Para medidasestaticas, considerar-se-ıa o acelerometro como maior relevancia para as medidas. Porem,nao se garante que o resultado atingido atraves dos calculos e uma boa aproximacao parao evento especifico sendo estudado.

Por tais razoes, ao final do projeto, o que foi implementado para suavizar as medi-das foi um filtro de media movel, que se mostrou simples e eficaz para corrigir as maioressingularidades e maiores vibracoes dos dados, respondendo com resultado aceitavel (com-patıvel com os caculos teoricos da equipe de aerodesign).

O estudo preliminar de filtros matematicos foi de grande importancia tambempara a escolha final dos sensores que configurariam o segundo prototipo. Escolheu-seum conjunto de sensores que ”se interlacam”, no sentido que muitos medem as mesmasgrandezas, porem de formas diferentes, menos ou mais suscetıveis a imprecisoes naodesejadas.

6.3. Comparativo entre as plataformas utilizadas

Duas grandes plataformas foram utilizadas neste projeto, de forma que e possıvel levantarvantagens e desvantagens de cada uma, no que tange a escolha destas para possıveistrabalhos futuros.

A plataforma Arduino se destaca no sentido de que tem uma comunidade onlinemuito grande e ativa, alem do constante desenvolvimento. Isto significa que para qualquerprojeto que se deseja realizar, e possıvel encontrar ajuda e referencia online de forma a ag-ilizar o processo de desenvolvimento e depuracao de erros no codigo. O Arduino tambemexpoe o programador a um nıvel de interacao com o hardware maior que o Gadgeteer, oque permite maior facilidade na criacao de novos perifericos, novos sensores para agre-gar ao projeto. No entanto, sua programacao nao e orientada a objetos, o que pode fazercom que o software nao seja tao avancado como muitas vezes a plataforma teria capaci-dade de processamento (principalmente em placas Arduino com microcontroladores maisrapidos).

A vantagem da plataforma .NET Gadgeteer e justamente a distancia do hardwareque o programador pode assumir. Isto e, basta uma configuracao muito rapida (atraves deflat cables) dos modulos processadores e sensores e uma IDE de programacao amigavelque permite programacao em C#. Isto faz com que tarefas de controle nao triviais (comoo controle de um display, ou de uma camera) seja possivel atraves de uma bibliotecapadrao bem definida (pois nao ha grande diversidade de hardware, como no Arduino). Noentanto, este mesmo fato e uma desvantagem da plataforma. O sistema e muito menoscustomizavel que o primeiro [Microsoft 2012].

Configura-se portanto que o .NET Gadgeteer e uma otima ferramenta paraprototipos rapidos, como e a sua proposta. Ali e possıvel testar rapidamente variasconfiguracoes de hardware a fim de permitir ao desenvolvedor entender melhor o seuproprio problema, antes de partir para o desenvolvimento mais complexo de um sistemadedicado a sua aplicacao. O Arduino, por outro lado, alem de configurar-se tambem comouma boa plataforma de prototipagem, permite ate que seja usado para aplicacoes finais, jaque apresenta versoes menores (para aplicacoes embarcadas) e maior expansibilidade dehardware.

7. Conclusoes e trabalhos futurosO projeto em questao foi bem sucedido no sentido de bem estabelecer o que e necessariopara uma rede de sensores sem fio funcionar em um aviao de pequeno porte, explorandosuas dificuldades e propondo algumas solucoes.

O desenvolvimento do software e contato com o hardware permitiu ao beneficiarioprimeiro contato com muitos conceitos vistos teoricamente tanto em sala de aula quantona equipe de aerodesign, entrelacando tais conceitos.

Concluıdo o que foi proposto na proposta deste projeto, e indicado como trabalhofuturo a continuidade deste, que potencialmente pode ajudar consideravelmente no desen-volvimento e aplicacao de RSSF em outras areas. Baseado na discussao dos resultadosaqui exposta, o proximo passo logico do projeto seria a melhor analise dos dados rece-bidos, fato melhor exercitado por desenvolvedores com maior experiencia em mecanicade voo, em conjunto com mais desenvolvedores de software e hardware de forma que se

possibilite a integracao entre as duas areas.

Outros pontos pouco abordados neste projeto, mas de grande importancia seriama seguranca dos dados enviados no projeto, ou mesmo a aplicacao de varios nos sensoresdentro do aviao, em vez de um grande no com varios sensores acoplados. Pode-se aindadesenvolver um hardware dedicado a esta aplicacao, possibilitando maior resolucao dosdados e potencialmente melhor qualidade dos dados sensoreados.

8. Agradecimentos

Agradece-se, primeiramente, a FAPESP por contribuir para que este projeto se tornasseuma realidade. Posteriormente, relata-se que este trabalho foi tambem apoiado pelo pro-jeto de pesquisa FAPESP processo numero 2010/16163-8, e pela Microsoft Reaserchatraves da doacao de kits .NET Gadgeteer. Agradece-se finalmente o Laboratorio deMecanica dos Fluidos da EPUSP pelo apoio e orientacao no uso e testes do sensor depressao diferencial, e a equipe Keep Flying de Aerodesign da EPUSP, por fornecer umaaeronave de testes para este projeto, e ao LARC/EPUSP laboratorio onde o projeto foidesenvolvido.

9. Uso da reserva tecnica

Neste projeto nao foi utilizada a reserva tecnica disponıvel.

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10. Anexos

10.1. Codigo .NET Gadgeteer

using System.IO.Ports;using Microsoft.SPOT;using GT = Gadgeteer;using GTM = Gadgeteer.Modules;using GTI = Gadgeteer.Interfaces;

using System;using System.Text;using Gadgeteer.Modules.Seeed;using Gadgeteer.Modules.GHIElectronics;using Gadgeteer;using System.IO;using Gadgeteer.Interfaces;//using GTM.Community;

namespace GadgeteerApp1{

public partial class Program{

private SimpleSerial _xbeePort;private static string _dataFilePath = @"\SD\Flyer.TXT";private StorageDevice _storage;private int _accSensorPeriod = 150;private int _gyroSensorPeriod = 150;private int _compassSensorPeriod = 250;

private string _SDBuffer;private GT.Timer _smallTimer = new GT.Timer(100);private GT.Timer _timer = new GT.Timer(500);private GT.Timer _bigTimer = new GT.Timer(5000);private bool _isCalibrated;private bool _isMounted;private AnalogInput pitot;

private TimeSpan _inicialTime;

void ProgramStarted() {_inicialTime = Microsoft.SPOT.Hardware.Utility.GetMachineTime();

//LED_isCalibrated = false;_isMounted = false;atualizarLed();_bigTimer.Start();

_bigTimer.Tick += new Timer.TickEventHandler(_bigTimer_Tick);

//Buttonbutton.ButtonPressed += new Button.ButtonEventHandler(button_ButtonPressed);

// XBee StartupGT.Socket socket = GT.Socket.GetSocket(11, true, null, null);_xbeePort = new SimpleSerial(socket.SerialPortName, 9600, Parity.None, 8, StopBits.One);_xbeePort.Open();_xbeePort.DataReceived += null;SendXBee("XBee - \tOK");

//SD Card StartupsdCard.SDCardMounted += sdCard_SDCardMounted;sdCard.SDCardUnmounted += sdCard_SDCardUnmounted;

_SDBuffer = "";_timer.Start();_timer.Tick += new Timer.TickEventHandler(_timer_Tick);SendXBee("SD Card - \tOK");

//Pitot StartupSocket socketDoPitot = Gadgeteer.Socket.GetSocket(9, true, null, null);pitot = new AnalogInput(socketDoPitot, Socket.Pin.Three, null);pitot.Active = true;_smallTimer.Start();_smallTimer.Tick += new Timer.TickEventHandler(_smallTimer_Tick);SendXBee("Pitot input - \tOK");

//GPS Startupgps.Enabled = true;gps.NMEASentenceReceived += new GPS.NMEASentenceReceivedHandler(gps_NMEASentenceReceived);gps.PositionReceived += new GPS.PositionReceivedHandler(gps_PositionReceived);SendXBee("GPS - \tOK");

SendXBee("System up and running.");

}

void gps_PositionReceived(GPS sender, GPS.Position position){

SendMeasurement("3;GP;" + getMillis() + ";" + position.LatitudeString + ";" + position.LongitudeString + ";" + position.SpeedKnots);}

void gps_NMEASentenceReceived(GPS sender, string nmeaSentence)

{SendMeasurement("1;NM;" + getMillis() + ";" + nmeaSentence);

}

void _smallTimer_Tick(Timer timer){

SendMeasurement("1;PT;" + getMillis() + ";" + pitot.ReadVoltage().ToString("f4"));}

string getMillis() {TimeSpan span = (Microsoft.SPOT.Hardware.Utility.GetMachineTime() - _inicialTime);int millis = span.Milliseconds;int secs = span.Seconds;int mins = span.Minutes;int total = millis + 1000*secs + 60000*mins;return total.ToString();

}

void _bigTimer_Tick(Timer timer) {atualizarLed();

}

void atualizarLed() {if (_isCalibrated && _isMounted)

led.TurnGreen();else if (_isMounted)

led.BlinkRepeatedly(Color.Red);else if (_isCalibrated)

led.BlinkRepeatedly(Color.Green);else

led.TurnRed();}

void button_ButtonPressed(Button sender, Button.ButtonState state) {accelerometer.Calibrate();gyro.Calibrate();

accelerometer.StartContinuousMeasurements();gyro.StartContinuousMeasurements();compass.StartContinuousMeasurements();accelerometer.MeasurementComplete += new Accelerometer.MeasurementCompleteEventHandler(accelerometer_MeasurementComplete);gyro.MeasurementComplete += new Gyro.MeasurementCompleteEventHandler(gyro_MeasurementComplete);compass.MeasurementComplete += new Compass.MeasurementCompleteEventHandler(compass_MeasurementComplete);accelerometer.ContinuousMeasurementInterval = new TimeSpan(0, 0, 0, 0, _accSensorPeriod);gyro.ContinuousMeasurementInterval = new TimeSpan(0, 0, 0, 0, _gyroSensorPeriod);compass.ContinuousMeasurementInterval = new TimeSpan(0, 0, 0, 0, _compassSensorPeriod);

_isCalibrated = true;SendXBee("Sensores - \tOK");

}

void _timer_Tick(Timer timer) {if (_storage != null) {

try {var sw = new StreamWriter(File.Open(_dataFilePath, FileMode.Append, FileAccess.Write));sw.Write(_SDBuffer);_SDBuffer = "";sw.Flush();sw.Close();

}catch (Exception ex) {

Debug.Print(ex.Message);}

}}

void compass_MeasurementComplete(Compass sender, Compass.SensorData sensorData) {SendMeasurement("3;CM;" + getMillis() + ";" + sensorData.X.ToString() + ";" + sensorData.Y.ToString() + ";" + sensorData.Z.ToString());

}

void gyro_MeasurementComplete(Gyro sender, Gyro.SensorData sensorData) {SendMeasurement("3;GR;" + getMillis() + ";" + sensorData.X.ToString("f4") + ";" + sensorData.Y.ToString("f4") + ";" + sensorData.Z.ToString("f4"));

}

void accelerometer_MeasurementComplete(Accelerometer sender, Accelerometer.Acceleration acceleration) {SendMeasurement("3;AC;" + getMillis() + ";" + acceleration.X.ToString("f4") + ";" + acceleration.Y.ToString("f4") + ";" + acceleration.Z.ToString("f4"));

}

private void SendMeasurement(string message) {SendXBee(message);_SDBuffer += message;

}

private void SendXBee(string message) {Debug.Print("))) " + message);_xbeePort.WriteLine(Xmessage);

}

private void sdCard_SDCardUnmounted(SDCard sender) {_storage = null;SendXBee("SD Unmounted");_isMounted = false;

}

private void sdCard_SDCardMounted(SDCard sender, StorageDevice SDCard) {if (sdCard.IsCardMounted) {

_storage = sdCard.GetStorageDevice();}_isMounted = true;SendXBee("SD Mounted");

}}

}

10.2. Codigo MATLAB

10.2.1. Funcao de incializacao

function AWSN_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin)

handles.output = hObject;guidata(hObject, handles);

delete(instrfindall);coms = java_array(’java.lang.String’, 100);for(i = 1:100)

coms(i) = java.lang.String(strcat(’COM’,num2str(i)));endcoms = cell(coms);set(handles.popupmenu_coms,’String’,coms);

clc;

10.2.2. Callback de inicio de comunicacao serial

function toggle_ativar_Callback(hObject, eventdata, handles)if (get(hObject,’Value’) == true)

set(hObject,’String’,’Desativar comunicacao serial’);set(handles.text_status,’String’,’Configurando COM Port’);set(handles.menuItem_ativar,’Label’,’Desativar comunicacao’);

set(handles.textBox_logFile,’Enable’,’off’);set(handles.popupmenu_coms,’Enable’,’off’);set(handles.button_logFile,’Enable’,’off’);

set(hObject,’Enable’,’off’);drawnow();

comMenuNumber = get(handles.popupmenu_coms,’Value’);

comNames = get(handles.popupmenu_coms,’String’);comPort = char(comNames(comMenuNumber,:));s = serial(comPort);fopen(s);try

fgetl(s);set(handles.text_status,’String’,’Recebendo dados’);set(hObject,’Enable’,’on’);drawnow();

handles.accX = zeros(2,2); %tempo, aceleracaohandles.accY = zeros(2,2);handles.accZ = zeros(2,2);handles.girX = zeros(2,2); %tempo, aceleracaohandles.girY = zeros(2,2);handles.girZ = zeros(2,2);handles.latlong = zeros(2,2);

tempo = 0;handles.countAcc = 0;handles.countGir = 0;handles.countGPS = 0;while (true)

linha = fgetl(s);

c = {};while ˜isempty(linha),

[c{end+1}, linha] = strtok(linha, ’;’) ;endquantidadeDeParametros = str2double(char(c(1)));origem = char(c(2));tempo = str2double(char(c(3))) / 1000;valor = zeros(quantidadeDeParametros,1);for (i = 4:4+quantidadeDeParametros-1)

valor(i-4+1) = str2double(c(i));end

set(handles.text_tempoAviao,’String’, ...strcat(num2str(tempo),’s’));

switch(origem)case(’AC’) % Acelerometro

handles.countAcc = handles.countAcc + 1;

handles.accX(1,handles.countAcc) = tempo;handles.accX(2,handles.countAcc) = valor(1);

handles.accY(1,handles.countAcc) = tempo;handles.accY(2,handles.countAcc) = valor(2);handles.accZ(1,handles.countAcc) = tempo;handles.accZ(2,handles.countAcc) = valor(3);

axes(handles.axes_accX);plot(handles.accX(1,:),handles.accX(2,:));xlim([tempo-10 tempo]);axes(handles.axes_accY);plot(handles.accY(1,:),handles.accY(2,:));xlim([tempo-10 tempo]);axes(handles.axes_accZ);plot(handles.accZ(1,:),handles.accZ(2,:));xlim([tempo-10 tempo]);

case(’GR’) % Giroscopiohandles.countGir = handles.countGir + 1;

handles.girX(1,handles.countGir) = tempo;handles.girX(2,handles.countGir) = valor(1);handles.girY(1,handles.countGir) = tempo;handles.girY(2,handles.countGir) = valor(2);handles.girZ(1,handles.countGir) = tempo;handles.girZ(2,handles.countGir) = valor(3);

axes(handles.axes_girX);plot(handles.girX(1,:),handles.girX(2,:));xlim([tempo-10 tempo]);axes(handles.axes_girY);plot(handles.girY(1,:),handles.girY(2,:));xlim([tempo-10 tempo]);axes(handles.axes_girZ);plot(handles.girZ(1,:),handles.girZ(2,:));xlim([tempo-10 tempo]);

case(’PT’) % Pitotset(handles.text_velocidade,’String’, ...

strcat(num2str(bernoulli(value(1)),’s’));case(’cp’) % Bussola

handles.countGir = handles.countGir + 1;

handles.cpX(1,handles.countGir) = tempo;handles.cpX(2,handles.countGir) = valor(1);handles.cpY(1,handles.countGir) = tempo;handles.cpY(2,handles.countGir) = valor(2);

otherwisefprintf(’invalido\n’);

end

setarAngulos(hObject, eventdata, handles);

pause(0.000000000001);if (get(hObject,’Value’) == false)

break;end

endfclose(s);

catch Errset(handles.text_status,’String’, ...

’Falha na serial. Tente de novo’);set(hObject,’Enable’,’on’);set(handles.textBox_logFile,’Enable’,’on’);set(handles.popupmenu_coms,’Enable’,’on’);set(handles.button_logFile,’Enable’,’on’);set(handles.check_tempoReal,’Enable’,’on’);set(hObject,’String’,’Ativar comunicacao serial’);set(handles.menuItem_ativar,’Label’, ...

’Ativar comunicacao’);set(hObject,’Value’,false);drawnow();

end

elseset(handles.textBox_logFile,’Enable’,’on’);set(handles.popupmenu_coms,’Enable’,’on’);set(handles.button_logFile,’Enable’,’on’);set(handles.check_tempoReal,’Enable’,’on’);

set(hObject,’String’,’Ativar comunicacao serial’);set(handles.text_status,’String’,’Inativo’);set(handles.menuItem_ativar,’Label’,...

’Ativar comunicacao’);end

10.3. Artigos desenvolvidos

Nas proximas paginas se encontram os dois artigos escritos ao longo deste projeto deiniciacao cientıfica.

Monitoramento em tempo real de aeronaves radio-controladasbaseado em rede de sensores sem fio

Rodolfo R. de Sousa1, Cintia Borges Margi1

1 Laboratorio de Arquitetura e Redes de Computadores (LARC)Departamento de Engenharia de Computacao e Sistemas Digitais (PCS)

Escola Politecnica da USP (EPUSP)Av. Professor Luciano Gualberto - Travessa 3, 158

Sao Paulo - SP - Brasil

Abstract. This paper describes the design of a radio-controlled aircraft realtime monitoring system based on wireless sensor networks. The developmentplatforms were Microsoft .NET Gadgeteer and Arduino, where different kinds ofdata such as accelerations, airspeed, spacial orientation and flight commandswere acquired through a set of sensors chosen for the application. The com-munication was established through the IEEE 802.15.4 protocol, data loggingachieved using an SD card allowing post-processing, altogether with a real timemonitoring software allowing visualization (on ground) of airplane caracteris-tics during its flight. After the specification and implementation, tests were reali-zed with sensors, as well as an in-flight test aiming the validation of the project.

Resumo. O presente artigo trata do projeto de um sistema de acompanhamentoem tempo real de aeronaves radio-controladas baseado em rede de sensoressem fio. As plataformas Microsoft .NET Gadgeteer e Arduino foram utiliza-das para aquisicao de diferentes dados, tais como aceleracoes, velocidade doaviao, orientacao espacial e comandos de voo atraves de um conjunto de sen-sores elencados para a aplicacao. A comunicacao foi realizada atraves do pro-tocolo IEEE 802.15.4, o registro dos dados feito em cartao SD permitindo pos-processamento, e o monitoramento em tempo real utilizando um software quepermite visualizacao (em terra) de caracterısticas da aeronave durante seu voo.Apos especificacao e implementacao, foram realizados ensaios com sensoresaplicados, bem como testes em voo a fim de validar o projeto.

1. IntroducaoRede de sensores sem fio (RSSF) e uma tecnologia bastante utilizada para monitorar eatuar em variados cenarios, desde monitoramento voltado a agricultura [Costa et al. 2012]a acompanhamento de condicoes ligadas a saude [Alves et al. 2012]. Constantementesurgem novas aplicacoes desta tenologia, destacando-se aqui aquelas relacionadas a aero-naves radiocontroladas.

O desenvolvimento de pequenas aeronaves nao tripuladas inclui: VANTs(Veıculos Aereos Nao Tripulados), avioes autonomos controlados baseados em lei-turas de sensores; e avioes pilotados por radiocontrole, como os da competicao[SAE-Brasil 2012], que incentiva alunos de graduacao de mais de 70 universidades bra-sileiras a desenvolverem aeronaves cargueiras de dimensoes reduzidas.

O projeto de uma aeronave pequena nao e simples. Existem modelos teoricosbem estabelecidos para aeronaves de dimensoes e velocidades maiores [Phillips 2004],mas faltam experimentos que comprovem que tais metodos tambem se aplicam a avioesmenores. Outro ponto e que em avioes pequenos, frequentemente, se possui pouco espacopara um sistema de avionica/caixa preta que capture e grave dados de voo relevantes parao piloto e projetistas. Isto se soma ao fato de que o preco da eletronica embarcada podeser alto demais comparado ao reduzido preco do aviao em si.

Portanto, conclui-se que grande parte da distancia tecnologica entre aeronaves depequeno porte e grandes avioes civis (com complexos sistemas como os de fly-by-wire,[Airbus 2012]) se da pelo fato de que a eletronica em avioes menores tende a ser restrita epouco expressiva. A contribuicao deste trabalho e no estreitamento desta relacao atravesde sensoreamento sem fio aplicado a tais aeronaves menores. Para tanto, realiza-se oprojeto e implementacao de uma rede de sensores sem fio a fim de realizar telemetriaem um aviao pequeno (envergadura de cerca de 3m) adquirindo dados relevantes de voo(como aceleracoes, velocidade do ar e orientacao espacial) e transmitindo-os em temporeal para uma central de comando, alem de registra-los em uma memoria (atuando comouma “caixa-preta” da aeronave).

A flexibilidade de instalacao e simplicidade de operacao foram tomados comorequisitos do sistema, a fim de possibilitar que seja usado plenamente mesmo por usuariosque nao sao familiarizados com as rede de sensores sem fio. Alem disso, priorizou-se umdesenvolvimento que facilitasse futuras expansoes de sensores e funcionalidades.

Este trabalho esta organizado da seguinte forma: A Secao 2 identifica trabalhosrelacionados a este; enquanto a Secao 3 descreve o sistema projetado bem como seussensores e nos de processamento. A secao 4 descreve os resultados do trabalho obtidosatraves de ensaios em laboratorio e teste de voo. Na secao 5 se encontram as conclusoesdeste projeto bem como perspectiva de trabalhos futuros.

2. Trabalhos RelacionadosA tecnologia em que se baseia este sistema de sensoreamento de aeronaves e a de redes desensores sem (RSSF). Estas redes possuem caracterısticas especiais que as diferem das re-des de computadores tradicionais, inclusive das redes sem fio convencionais padrao IEEE802.11 [IEEE 1997]. Segundo [Margi 2006], estas redes podem ser entendidas comouma classe especial de redes ad-hoc de multiplos saltos (MANETs - multi-hop ad-hoc

networks), sendo que ambas possuem arquitetura flexıvel nas quais os elementos utilizamcanais de comunicacao sem fio para estabelecer uma comunicacao diretamente entre si.As MANETs suportam recursos computacionais nos quais os elementos executam dife-rentes tarefas. As RSSF normalmente utilizam metodos colaborativos nos quais os nossensores proveem dados a um no sorvedouro (ou estacao base), para serem processadospela aplicacao.

Um uso comum de avioes em conjunto com RSSF e o de mobile sink, ou mobilegateway, onde o aviao atua como o no da rede responsavel por coletar dados de um campode sensores espalhados fisicamente. Tal uso se faz interessante em localidades ondemetodos convencionais de comunicacao (como celular e internet) nao sao disponıveis,como em aplicacoes de monitoramento na area de agricultura [Costa et al. 2012]. Outrasaplicacoes de RSSF utlizando avioes incluem monitoramento de trafego ou poluicao ur-bana [Teh et al. 2008] mostrando que RSSF e avioes (em especial os VANTs, autonomos)sao integraveis.

No entanto, a aplicacao de RSSF especıfica para monitoramento com foco emaeronaves radiocontroladas e um assunto ainda pouco explorado. Em aeronautica, ha tra-balhos que utilizam a tecnologia para verificar o estado e conservacao de avioes de grandeporte [Tedavalli and Belapurkar 2011]. Existe tambem aplicacoes de sensoreamento vol-tado a aeronaves leves, porem tripuladas [da Silva and de Oliveira 2005].

Um ponto de aproximacao deste projeto com os relacionados e o de projetos deVANTs, como [Sampaio 2006] e [Singh and Ranjan 2011]. Porem, alem de nao aplicarRSSF, tais trabalhos tem foco no controle da aeronave, e nao no sensoreamento em si.

A telemetria em avioes de pequeno porte e existente, porem frequentementecustosa e fechada a modificacoes (como a telemetria utilizando sistemas comerciais[JR 2012]). O presente estudo, portanto, tambem se torna interessante por tentar flexi-bilizar a solucao deste problema utilizando para tal as RSSF.

Utilizando RSSF, por exemplo, se torna possıvel que cada um dos sensores daaeronave seja desacoplado e instalado em pontos distantes dos outros, evitando o usoexcessivo de cabos (que e da ordem de centenas de kilometros em um aviao de transportecivil). Ou pode-se tambem se estabelecer um link em tempo real com uma central emterra, que e o caso abordado neste artigo.

3. SistemaO sistema projetado tem o objetivo de realizar o sensoreamento do aviao, enviar os da-dos para uma estacao base (onde podem ser visualizados em tempo real), e registrarinformacoes de voo em memoria nao volatil, caracterısticas abordadas nesta secao.

3.1. Sensores

Para caracterizar um voo e relevante monitorar o seguinte conjunto de grandezas:

• Velocidade relativa da aeronave com relacao ao ar. Todas as forcas exercidassobre as superfıcies aerodinamicas de um aviao sao funcao desta velocidade sendomedida (e nao de sua velocidade absoluta com relacao ao chao);• Orientacao espacial da aeronave: Diz respeito a mecanica de voo da aeronave,

permitindo validacoes de calculos de estabilidade do aviao e desempenho em de-

Figura 1. Funcionamento geral do sistema

colagem e voo. Permite monitorar razao de subida na decolagem e angulos derolagem em curva, por exemplo;• Registro de atuacao das superfıcies de controle do aviao: Para um registro de

voo completo, faz-se necessaria a aquisicao dos dados de pilotagem: quanto cadasuperfıcie de controle da aeronave foi acionada em cada instante do voo.• Condicoes atmosfericas: Tambem entram no calculo de todas as forcas do aviao.

Um importante dado de projeto diretemente dependente de tal medida e a MTOW(Maximum Takeoff Weight), funcao da forca de empuxo do motor, arrasto esustentacao em pista, que por sua vez sao todos funcoes da densidade do ar lo-cal.

Uma vez definidas as grandezas para medicao, torna-se necessario identificar ossensores, algoritmos e processos capazes de prover tais informacoes de voo.

3.1.1. Velocidade

Para tal medida, optou-se por um medidor largamente utilizado nos mais variados ti-pos de aeronave: o tubo de Pitot. Tal instrumento consiste em uma medicao indiretada velocidade do ar atraves de duas tomadas de pressao: uma estatica (perpendicularao escoamento) e uma dinamica (na direcao do aviao). Com a diferenca de pressoes(Pestatica − Pdinamica), atraves da equacao de Bernoulli simplificada a equacao (1) epossıvel medir a velocidade do escoamento do ar (V) a uma determinada densidade doar (γ).

V =

√2.(Pestatica − Pdinamica)

γ(1)

No sistema implementado foi utilizado o sensor modelo 850S,[VectusImportatum ], ajustado ao fundo de escala de 120 Pa que se mostra ade-quado as baixas velocidades que aeronaves radiocontroladas operam. Sua alimentacao ede 24V e saıda como uma tensao entre 1 e 5V.

3.1.2. Orientacao espacial

O sistema aqui proposto se fundara sobre uma trıade de sensores a fim de determinara orientacao da aeronave referente a um referencial inercial: acelerometro, giroscopio e

bussola. Tais sensores sao usados em conjunto a fim de determinar os tres angulos deinclinacao da aeronave.

Foram utilizados cinco sensores: dois acelerometros de tres eixos, dois gi-roscopios de tres eixos e uma bussola digital. Os dois primeiros sensores foram utilizadosatraves de uma unica placa, fabricada pela empresa Sparkfun Electronics, ja os tres ul-timos utilizados em seus encapsulamentos compatıveis com .NET Gadgeteer, fabricadospela Seeed Studio.

1. Acelerometro 3 eixos ADXL345 [AnalogDevices 2011]: Mede aceleracao comresolucao de 13 bits, com escala de -16 a +16 vezes a aceleracao gravitacional(±16g).

2. Giroscopio 3 eixos ITG-3200 [InvenSense 2010]: Mede a velocidade angular comsensibilidade de 14.375 LSBs para cada grau/segundo. Escala maxima de ±2000graus/s.

3. Acelerometro MMA7455L [Freescale 2009]: Mede aceleracoes de ±8g comresolucao de 64LSBs por g.

4. Giroscopio 3 eixos ITG-3200, [InvenSense 2010]: O mesmo componente do item2.

5. Bussola digital HMC5883 [Honeywell 2010]: Mede campos magneticos comresolucao de 10 milli-gauss, com escala de ±8 gauss.

3.1.3. Registro de atuacao das superfıcies de controle

Na aeronave disponıvel para testes deste estudo, cedida pela equipe Keep Flying daEPUSP [Keep Flying 2012], os controles da aeronave sao todos realizados atraves deservos-motores. Tais pequenos motores sao acionados atraves de um receptor de co-mandos do piloto (que fica em terra utilizando um controle remoto). Cada servo-motor eligado com tres fios: alimentacao (2 fios), e sinal (1 fio). O sinal e codificado em padraoPWM (Pulse Width Modulation) que e responsavel por controlar o movimento do servo,conforme ilustrado na Figura 2

Figura 2. Registro de atuacao de servos-motores

O monitoramento dos servos-motores e feito atraves de interrupcoes. Cada fio de“sinal” de servos foi tratado como uma interrupcao de hardware. A central de proces-samento calcula o tempo entre a borda de subida e descida deste sinal, calculando seuduty-cycle. Atraves deste valor, e possıvel determinar qual comando foi dado ao servo-motor.

3.1.4. Sensoreamento de condicoes atmosfericas

Atraves de um sensor barometrico eletronico baseado em um sensor de pressao piezo-resistivo (modelo HP03M [HopeRF 2010]), mediu-se a pressao atmosferica e temperaturalocal. Juntando tais dados com a conhecida altitude geografica da pista, pode-se obter umaboa estimativa da densidade do ar.

3.2. Comunicacao sem fio

O padrao IEEE 802.15.4 [IEEE 2003] se aplica ao estudo — um sistema embarcado depouca capacidade de processamento. Devido a sua simplicidade de uso e configuracao,bem como larga aplicacao em RSSF, foram utilizados modulos de comunicacao XBee(modelo XB24-ASI-001 com conector de antena RPSMA, frequencia 2.4GHz e antenade 2dBi [Digi 2007]), da fabricante Digi.

A topologia da rede e simples. Os nos sensores enviam diretamente pacotes ao noestacao base, nao realizando multiplos saltos nesta implementacao do sistema. O no basenao e capaz de enviar dados aos nos sensores: ele e responsavel apenas por receber osdados sensoreados constantemente. Em uma implementacao onde tambem haja atuacao,o no base seria o responsavel por enviar os comandos ao aviao.

3.2.1. Mensagem enviada

Optou-se por um mesmo padrao de mensagens assıncronas para todos os nos da rede.Note que e um padrao simples (facil compreensao), generico (e aplicavel a quaisquertipos de dados sendo enviados) e expansıvel (nao ha restricao a quantidade de parametrossendo enviados), ilustrado na Figura 3.

N <nome1>:<valor1>;<nome2>:<valor2>;<...>;\n

Figura 3. Formato de mensagem enviada

A mensagem possui o seguinte formato: N se refere a quantidade de parametrossendo enviados, <nome> se refere ao nome do parametro, separado de seu respectivo va-lor (<valor>) por um caractere : e separado do proximo parametro com um caractere ;. Amensagem e terminada com um caractere de “nova linha” (\n). Estas mesmas mensagenssao salvas em cartoes SD localizados em cada subsistema.

3.3. Hardware

A implementacao desta aplicacao foi feita utilizando duas plataformas de aquisicao de da-dos e processamento: Microsoft .NET Gadgeteer e Arduino. A primeira permite prototi-pagem rapida e simplificada de circuitos eletronicos, bem como flexibilidade de instalacaode novos modulos sensores. A segunda, permite medicao analogica do sensor de pressaodiferencial, registro de atuacao dos servos-motores atraves de interrupcoes.

A configuracao de sensores e placas foi escolhida de acordo com suas disponi-bilidades em laboratorio. O hardware base utilizado e o detalhado na Tabela 1, ondepodem-se verificar suas limitacoes de processamento, armazenamento e de entrada/saıda.

Tabela 1. Especificacoes tecnicas gerais: Arduino Uno [Arduino ] e .NETGadgeteer [GHIElectronics ]

Caracterıstica Arduino Uno .NET GadgeteerFEZ Spider Mainboard

Base Microcontrolador ATmega328 Modulo GHI EMX(processador ARM, RAM

e Flash nao integrados)Processador 16MHz (ATmega328) ARM7 32-bit 72MHz

Memoria 2KB 16MB RAMArmazenamento 1KB EEPROM, 32KB Flash Flash 4.5MBEntrada/Saıda 14 pinos E/S digitais (6

com saıda PWM) e 6inputs analogicos

USB Device, 14 sockets.NET Gadgeteer.

Capacidade PWM,Ethernet e USB Host

Tabela 2. Divisao de modulosArduino .NET Gadgeteer Estacao Base (PC)

Acelerometro de 3 eixosGiroscopio de 3 eixos

Bussola digitalBarometro

XBeeCartao SD

Acelerometro de 3 eixosGiroscopio de 3 eixos

Tubo de PitotXBee

Cartao SD

XBee

Tambem, dada a subdivisao do sistema na aeronave em duas grandes partes, optou-se pelapela separacao de sensores e modulos de comunicacao de acordo com a Tabela 2.

O sistema consiste em duas estacoes que colhem dados (Arduino e .NETGadgeteer) e os enviam constantemente para uma estacao base atraves do protocolo decomunicacao sem fio 802.15.4 [IEEE 2003]. Estes sao recebidos na estacao base (umcomputador) atraves de um modulo de comunicacao ligado a uma porta serial, comoesquematizado na Figura 4. Sensores de movimento sao conectados tanto ao .NETGadgeteer quanto ao Arduino por acrescentar redundancia ao sistema, importante paragerar informacoes mais confiaveis do voo da aeronave.

O prototipo descrito nas secoes 4.1 e 4.4 foi implementado utilizando uma placaArduino Uno. Porem, para o completo sensoreamento da aeronave (7 servos-motores),fez-se necessaria uma placa com suporte a mais interrupcoes de hardware. Uma possibi-lidade e a placa Arduino Due [Arduino 2012], com 12 destas, bem como um processadorARM mais poderoso, de 32bits e 84MHz.

3.4. Software

Cada no da rede apresentada requer um software especial dedicado, dadas fortesdiferencas entre as plataformas. Esta subsecao detalha o funcionamento de software nostres componentes do sistema: Arduino, .NET Gadgeteer e estacao base (PC).

Figura 4. Organizacao de hardware do sistema

• Arduino: O programa executado no Arduino e um simples loop infinito que realizacoleta de dados dos sensores, formatacao destes em uma mensagem que e enviadaatraves de comunicacao serial para o modulo XBee acoplado.• .NET Gadgeteer: Por permitir programacao orientada a eventos, o software pre-

sente no subsistema .NET Gadgeteer formata e envia dados sempre que um eventodo tipo “nova medicao disponıvel” e disparado ja que os sensores, ao boot do sis-tema sao configurados em um modo de “realizacao contınua de medicoes” — emque ficam indeterminadamente coletando dados e disparando eventos sempre quepossıvel.• Software de visualizacao: Os dados enviados pelos subsistemas Gadgeteer e

Arduino sao recebidos em um computador atraves de um XBee ligado a umasaıda USB do computador. O software de visualizacao e uma rotina para o am-biente MATLAB R© que monitora determinada porta serial procurando mensagensno padrao definido. Encontrando tais mensagens, as decodifica, e exibe os dadosrecem-recebidos em graficos adequados. Na Figura 5 podemos ver dados de ummovimento, com aceleracoes e velocidades angulares acopladas. Os dados exi-bidos em tela (em especial referentes a orientacao espacial) passam por um filtrode media movel a fim de reduzir os efeitos causados pela vibracao de motores acombustao geralmente utilizados neste tipo de aeronave.

4. Resultados e DiscussaoApos o projeto e implementacao do sistema de monitoramento baseado em RSSF, fo-ram realizados ensaios que permitissem validar o sistema como um todo bem como suassubsecoes, alem de um teste em voo. As subsecoes a seguir apresentam tais resultados.

Figura 5. Monitoramento de aceleracoes (3 eixos) e velocidades angulares (3eixos) em software MATLAB R©

4.1. Sensor de pressao diferencial

O sensor de pressao diferencial utilizado para instrumentar as duas tomadas de pressaonecessarias para implementar o tubo de pitot foi ensaiado em laboratorio a fim de seconhecer e validar sua resposta.

O sensor utilizado apresenta dois tubos de entrada. A diferenca de pressao entreeles e representada por uma saıda em tensao de 1V a 5V. O ensaio foi feito a fim dedeterminar a curva que relaciona pressao de entrada com tensao de saıda. Para isso foiaplicada uma pequena pressao (atraves de uma seringa) ligada por um conector em T adois instrumentos de medida: ao sensor sendo ensaiado e a um manometro de colunainclinada padrao (Type 4 manometer, fabricante Airflow Developments Ltd.).

O experimento foi realizado em temperatura ambiente de 20.6o e pressao at-mosferica local de 928mbar. Para cada ponto experimental foram feitas cinco medicoes.Foi obtida a reta ∆P [Pa] = (58.00 ± 0.31)[Pa/V ] ∗ Vmed[V ] + (152.14 ± 0.98)[Pa],conforme indicado na Figura 6.

Figura 6. Grafico dos pontos experimentais obtidos no ensaio do sensor depressao diferencial

Tal resultado garantiu a correta interpretacao dos dados fornecidos pelo sensor, etambem verificar que a escala de medicao do sensor esta adequada a aplicacao. O sensortestado pode medir ate cerca de 100Pa, o que utilizando a Equacao (1), corresponde a

velocidade do ar de aproximadamente 13m/s. Tal valor e coerente com a velocidadede decolagem estimada teoricamente para o aviao de testes: 10m/s, de acordo com osprojetistas da aeronave [Keep Flying 2012].

4.2. Comunicacao sem fio

Foi realizada um experimento para verificar do alcance dos modulos de comunicacao afim de que se garantisse que a comunicacao pode ser estabelecida em tempo real em todaa extensao da pista onde a aeronave de testes [Keep Flying 2012] realiza sua decolagem.

Foram feitos testes de alcance de sinal em campo aberto (situacao de voo) entredois nos para diversos nıveis de potencia utilizando a ferramenta Range Test do softwareXCTU de interface com modulos XBee desenvolvida pelo fabricante [Digi 2009]. Tais re-sultados sao apresentados na Figura 7, mostrando que as medicoes superaram os alcancesespecificados pelo fabricante (90m).

Figura 7. Grafico da medicao de alcance em campo aberto do modulo XBee2.4GHz em funcao da configuracao de potencia

O fato de terem sido ensaiados diversos nıveis de potencia se deve ao fato de quea comunicacao sem fio e, geralmente, o componente que mais consome energia em umarede de sensores sem fio, segundo [Margi et al. 2006].

O experimento mostrou que os modulos XBee usados no sistema implementadosao suficientes para monitoramento da decolagem, considerado como etapa mais crıticada missao do aviao. Como a aeronave de testes [Keep Flying 2012] deve se desprenderdo chao em 50m, pode-se acompanhar toda a sua corrida em pista e o comeco de seu voode subida. Apos a decolagem, os dados adquiridos sao salvos somente no armazenamentodo aviao (cartoes SD).

Um acompanhamento total do voo pode ser obtido com a substituicao do modelodo radio XBee por outros da maior alcance. Configuracoes com antena de ganhos maiorese frequencia de 900MHz tem alcance de ate 1.6km, de acordo com o fabricante. Taismodulos poderiam ser integrados ao sistema sem mudanca significativa de software.

4.3. Ensaio estatico comparativo sobre a orientacao espacialEm voo, as aceleracoes resultantes no aviao sao comumente medidas com relacao aaceleracao gravitacional: determinado fator de carga (n = Sustentacao

Peso). Na maior parte

do voo, a aeronave esta sob efeito de manobras de reduzido fator de carga. Em tais cir-cunstancias, o efeito das aceleracoes resultantes do movimento teriam reduzida influencianas leituras do acelerometro, assemelhando-se a uma situacao em que o aviao esta emmovimento uniforme. De tal forma, um ensaio estatico (i.e., sob aceleracoes devidas aomovimento nulas) dos sensores de orientacao espacial foi realizado de forma a observarsua resposta.

Foi utilizado o conjunto acelerometro-bussola (subsistema .NET Gadgeteer) paraestimativa da orientacao 3D da aeronave. O ensaio comparativo se constituiu de medicoesdo angulo que os sensores faziam com o plano horizontal utilizando dois sistemas: odescrito neste artigo e o sistema FlexMeter [Alves et al. 2012], que tambem se baseia emmedicoes de angulos.

A comparacao foi feita fixando-se fisicamente ambos sistemas de medicao emovendo-os juntos. Foram levantados 5 pontos para cada angulo que foram feitasmedicoes. Tomou-se o cuidado tambem de dividir os testes em dois grandes grupos:angulo de derrapagem (Yaw), que dependem basicamente da leitura da bussola, e angulosde arfagem e rolagem (Pitch e Roll), que depende basicamente da leitura do acelerometro.

Tabela 3. Comparacao dos sensores de orientacao

Medicao Sensor responsavel Diferenca maxima Diferenca mediaDerrapagem Bussola Digital 6 ◦ 2,3 ◦

Arfagem e rolagem Acelerometro 4 ◦ 2,2 ◦

As diferencas entre os dois sistemas nao foram consideradas significativas (emmedia inferior a 3 graus nas medicoes de angulos de arfagem e rolagem), o que forma avalidacao dos sensores utilizados neste subsistema.

4.4. Testes de vooFinalmente, foi realizado um teste de voo juntamente a equipe Keep Flying de aerodesignda EPUSP [Keep Flying 2012] em uma aeronave do seu projeto de 2012. Por incon-gruencia entre os cronogramas da equipe e da elaboracao deste projeto, o teste foi reali-zado apenas com a parte essencial do sistema.

O teste foi realizado com o subsistema Arduino completo. Apesar da grandevibracao gerada pelo motor e dados ruidosos, foi possıvel obter uma boa linha detendencia da posicao do aviao na pista atraves da integracao das medicoes aplicando umfiltro de media movel no pos-processamento, conforme ilustrado na Figura 8.

Neste teste foi possıvel perceber que a instalacao fısica na aeronave e a vibracaopodem atrapalhar consideravelmente as medicoes que se desejam ser feitas. Como tra-balho futuro existe a possibilidade de aplicar um filtro matematico de maior robustez(menor sensibilidade a dados pouco precisos), como o filtro de Kalman (explicado em[Lagesi 2009] e utilizado em [Lavieri 2011] em uma aplicacao de navegacao submarina)ou filtro complementar [Neto et al. 2008]. Para isto, tambem seria necessario associarmodelos fısicos que descrevam a mecanica de voo do aviao.

Figura 8. Grafico da medicao de aceleracao ao longo de uma decolagem eposicao estimada do aviao

5. Consideracoes finais

Este artigo apresentou o projeto e implementacao de um sistema de monitoramento emtempo real de aeronaves radio-controladas baseada em rede de sensores sem fio. Aespecificacao do projeto, implementacao e testes levaram a resultados satisfatorios, mos-trando que esta aplicacao e de viavel utilizacao em ensaios para validacao de condicoesde voo de aeronaves radiocontroladas.

Apesar de o objetivo de estabelecimento de um sistema de aquisicao de dados devoo ter sido cumprida, ficou evidente nas etapas de teste que uma estimativa mais acuradada orientacao da aeronave poderia ser obtida aplicando filtragem nos dados e comparacaocom estimativas teoricas do movimento da aeronave - que no sistema aqui apresentadofica disponıvel apenas em pos-processamento.

Outro ponto para trabalhos futuros e o emprego do presente sistema de aquisicaode dados para o projeto de um VANT, aeronave que nao necessita de um piloto para voar.Os principais sensores para tal aplicacao ja estao disponıveis neste sistema, restando ape-nas integra-los a um sistema de controle da aeronave. Neste contexto ja se faria importanteum meio de comunicacao segura entre os nos sensores e a estacao base, bem como maiorcontrole sobre a autonomia de bateria e consumo de energia do sistema.

6. Agradecimentos

Rodolfo R. de Sousa e bolsista de iniciacao cientıfica Fapesp, processo numero2012/05834-4. Este trabalho foi apoiado pelo projeto de pesquisa FAPESP processonumero 2010/16163-8, e pela Microsoft Reaserch atraves da doacao de kits .NETGadgeteer. Os autores agradecem ao Laboratorio de Mecanica dos Fluidos da EPUSPpelo apoio e orientacao no uso e testes do sensor de pressao diferencial, e a equipe KeepFlying de Aerodesign da EPUSP, por fornecer uma aeronave de testes para este projeto.

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