Este post descreve o projeto de formatura desenvolvido pelos alunos Bruno Pereira Bueno, Débora Setton Fernandes e Fernando A. R. F. da Costa, alunos da turma de 2011 do Curso Cooperativo de Engenharia de Computação, e orientado pelo Prof. Dr. João Batista Camargo Júnior (orientador) e pelo Dr. Mário Aparecido Corrêa (co-orientador), ambos membros do Grupo de Análise de Segurança da Poli.

Apesar de a ideia do nosso projeto ser bastante simples, o título do projeto ser um pouco obscuro para quem não está familiarizado com estes termos. Vamos começar explicando o título e as coisas ficarão mais claras.


O que é…

… Veículo aéreo não-tripulado?

Um Veículo Aéreo Não-Tripulado, também conhecido pela abreviação VANT, é qualquer tipo de aeronave (como aviões, balões, helicópteros) que não precise de um piloto para ser guiada. No nosso projeto, utilizamos um dirigível cheio de gás hélio para representar o VANT.

… Mensagem CPDLC?

O CPDLC (Controller Pilot Data Link Communications) é uma aplicação utilizada para a comunicação entre os controladores de voo, localizados nas torres de comando, e os pilotos, localizados na aeronave tripulada. Uma mensagem CPDLC é uma mensagem de texto que segue o formato definido na especificação da Organização Internacional de Aviação Civil (ICAO – International Civil Aviation Organization). O piloto recebe e envia mensagens CPDLC utilizando um dispositivo denominado MCDU.

… Controle?

No contexto do nosso projeto, controle significa o envio de comandos, que poderão ser aceitos ou recusados pela aeronave.

O projeto

Agora sim: o nosso projeto trata de controlar um balão a partir do envio de comandos, como virar à direita, subir ou descer e alterar a velocidade, utilizando um protocolo de comunicação já existente e já utilizado na Aeronáutica hoje. Comportando-se como um VANT autônomo, o balão deve tomar decisões sobre estes comandos recebidos, decidindo se pode ou não executá-los, com base em variáveis medidas de um conjunto de sensores embarcados.

Motivação

A ideia do nosso projeto é que ele sirva como uma prova de conceito, ou seja, que ele mostre que é possível, controlar um VANT à distância, apenas através da troca de mensagens CPDLC e que, ainda assim, o voo realizado seja tão ou mais seguro quanto ele seria se existisse um piloto a bordo.

Um dos motivos para isso é que existem diversas situações em que a presença do piloto restringe a duração do voo. Um exemplo disso são voos de monitoramento de áreas de fronteira. Estes voos normalmente são utilizados para coleta de imagens, e não existe uma carga sendo transportada ou um destino específico. É interessante, portanto, não depender de um piloto, que pode ficar exaurido fisica e psicologicamente em um voo muito longo.

Outro motivo é que existem muitos acidentes aéreos causados por falha humana. Um piloto, por ser um ser humano, naturalmente está sujeito a cometer erros, mais ainda se não tiver um treinamento adequado. Se for possível substituí-lo por um sistema computacional devidamente projetado, implementado e testado, o número de acidentes será reduzido, tornando o espaço aéreo um lugar mais seguro.

Implementação

O sistema pode ser dividido em três módulos, mostrados na figura abaixo:

Diagrama de blocos do sistema de controle implementado

ACARS

O ACARS (Aircraft Communications Addressing and Reporting System) é um simulador de código aberto que foi utilizado no projeto, nós fizemos apenas pequenas alterações no código-fonte. O simulador completo que foi utilizado é composto por dois submódulos. O primeiro é o servidor ATC, cuja função é centralizar a comunicação entre o controlador e o piloto, registrando aeronaves e transmitindo para o destinatário (controlador ou piloto) as mensagens que são recebidas. O segundo submódulo possui, entre outras coisas, uma interface, mostrada abaixo, que permite o envio de mensagens CPDLC para as aeronaves – no nosso caso, o balão.

Interface para criação de mensagens no padrão CPDLC

Módulo Python

Idealmente, as mensagens CPDLC seriam enviadas diretamente do servidor do ACARS para o balão. Contudo, o microcontrolador utilizado no projeto (Atmega128 usado no Arduino Uno) possui severas restrições de processamento, tendo apenas 32KB disponíveis para o código-fonte e 1KB para a área de dados. Assim, foi introduzido um módulo que representa parte do sistema que normalmente ficaria na aeronave, mas que roda em um computador em terra. Este subsistema é responsável por receber mensagens CPDLC, traduzi-las para mensagens MBCP (My Blimp Control Protocol) e então transmiti-las ao balão. O MBCP é um protocolo bastante simples desenvolvido especificamente para o projeto.

Abaixo é mostrada a interface que foi desenvolvida para este módulo: ela imita a aparência de um MCDU, mostrando mensagens recebidas pela aeronave (denominadas de uplink, em laranja) e enviadas (de downlink, em verde).

Interface do módulo Python, emulando um MCDU

Módulo embarcado

Finalmente, temos o módulo embarcado. Este é composto pelo programa que roda no Arduino assim como pelos circuitos eletrônicos auxiliares que permitem a leitura dos sensores, o controle dos motores e o envio/recebimento de mensagens MBCP via rádio. Utilizando as leituras dos sensores, o balão consegue inferir qual o seu estado com relação ao ambiente em que se encontra, tomando decisões sobre a possibilidade de execução de um comando, e rejeitando aqueles que puderem colocá-lo em uma situação de risco.

A figura abaixo mostra a gôndola que é presa ao balão, com os três motores à mostra, assim como os três sensores infravermelhos, utilizados para detectar a distância de obstáculos frontais e laterais.

Gôndola que é presa ao balão, com sensores e motores visíveis

Dentro desta gôndola ficam os circuitos descritos acima, e mostrados na figura abaixo. Da esquerda para a direita, temos:

• Arduino: contém o microcontrolador que permite a execução da lógica de controle do balão.
• Placa de cirtuito impresso: projetada e desenvolvida especialmente para o projeto. As três placas menores (duas vermelhas e uma verde) são sensores inerciais – uma IMU (Inertial Movement Unit), um acelerômetro e uma bússola digital.
• Transceptor: permite envio e recebimento de mensagens de rádio.

Circuitos eletrônicos embarcados no balão

Esta foi uma brevíssima descrição do projeto. Quem estiver interessado em conhecer os detalhes pode entrar em contato ou fazer o download da monografia, que em breve estará disponível.

E não percam a demonstração prática, que acontecerá no dia 14 de dezembro, no Galpão da Administração da Poli!

Este artigo foi publicado no dia 18 de novembro de 2011 às 2:54 pm na(s) categoria(s) Coop11, Outros, TCC. Você pode seguir comentários deste artigo através do link do feed RSS 2.0.