Desenvolvimento da estação de terra do projeto AURORA

Orientador : Marcel BergermanDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: Esta dissertação apresenta o desenvolvimento da estação de terra do Projeto AURORA (Autonomous Unmanned Remote MQnitoring Robotic Airship). O objetivo do Projeto AURORA é o desenvolvimento de veículos robóticos aéreos para inspeção aérea, evoluindo de veículos puramente tele-operados para veículos telemonitorados. O protótipo da primeira fase, AURORA I, tem como finalidade a demonstração da viabilidade do projeto e a realização de missões de baixa complexidade. Esta dissertação abrange o projeto e implementação do hardware e sojtware utilizados pelo operador em terra para monitorar e controlar o vôo do dirigível. São apresentados os diversos componentes da interface com o usuário da estação de terra, o sistema utilizado para a comunicação entre a estação de terra e o sistema embarcado, e o software utilizado para se atender aos requisitos de tempo real. Adicionalmente, é apresentada a definição do sistema operacional utilizado na estação de terra e no sistema embarcado do Projeto AURORA. A estação de terra desenvolvida está sendo utilizada no Projeto AURORA, permitindo a monitoração e o envio de comandos para o dirigível em vôos reais e simulados, e fornecendo suporte para o desenvolvimento dos algoritmos de controle e do sistema embarcado do Projeto AURORAAbstract: This dissertation shows the deveIopment of the AURORA Project's Ground Station (AURORA stands for Autonomous Unmanned Remote MQnitoring Robotic Airship). The AURORA Project aims the developement of aerial robotic vehicles to perform aerial inspection, evolving from purely teIe-operated vehicles to tele-monitored ones. The first phase prototype, AURORA l, airns to demostrate the project's viability and to accomplish low complexity missions. This dissertation presents the design and impIementation of the hardware and software used by the ground operator to monitor and control the airship flight. lt shows the various components of the useI' interface in the ground station, the communication system between the ground station and the embedded system, and the software developed to attend the real time requisites. Additionaly, it presents the definition of the operational system to be used in the Project AURORA's ground station and embedded system. The Project AURORA team is already using the developed ground station in actual and simulated flights to allow flight monitoring and to send commands to the vehicle, providing suport for the deveIopment af the controI algarithms and the embedded systemMestradoMestre em Ciência da Computaçã

Contribuição ao desenvolvimento de dirigíveis robóticos

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica.Este trabalho aborda o desenvolvimento e a implementação de um protótipo de dirigível robótico não-tripulado com capacidade de realizar vôos autônomos reais seguindo trajetórias definidas por pontos de passagem. Para contemplar este objetivo: i) realizou-se modificações estruturais na mecânica e aerodinâmica do dirigível utilizado, adequando-o ao uso como veículo robótico; ii) estabeleceram-se infra-estruturas, embarcada e em terra, de componentes de software e de hardware, envolvendo sensores, atuadores, processadores e software tempo real; iii) introduziu-se aprimoramentos em um modelo dinâmico do dirigível considerando notadamente os aspectos de força de propulsão e influência da dinâmica do vento; com base neste novo modelo, foram desenvolvidos ambientes de simulação em SIMULINK/MATLAB e em Java/VRML e servidores de simulação; iv) implementou-se um ambiente de suporte ao desenvolvimento e à operação do dirigível robótico; v) concebeu-se e implementou-se um sistema de controle e navegação, compreendendo algoritmos de seguimento de trajetória e de perfil de altitude entre pontos de passagem; este sistema foi analisado e seus parâmetros de sintonia ajustados tanto em simulação quanto em vôos reais, e, finalmente; vi) estabeleceu-se um protótipo de arquitetura de software robótico para o dirigível testado apenas em simulação, contemplando aspectos deliberativos e reativos de uma missão robótica completa.Abstract: This work focuses on the development and implementation of a prototype of an unmanned robotic airship, able to execute autonomous real flights with trajectory tracking through way-points. To accomplish this task: i) the airship's mechanical and aerodynamic components were improved; ii) it was established onboard and ground-based infra- structures of hardware and software components, including sensors, actuators, processors and real time software; iii) improvements were introduced in the airship dynamic model considering propulsion forces and wind dynamics influence; based on this new model, airship simulators in SIMULINK/MATBLAB and Java/VRML environments as well as simulator servers, were developed; iv) a software environment to support the development and operation of the robotic airship was built; v) a control and navigation system was implemented, including trajectory and altitude profile tracking through way-points; this system was analyzed and its tuning parameters were adjusted both in simulation and in real flight, and, finally; vi) a prototype of a robotic software architecture was stablished in simulation, dealing with deliberative and reactive aspects of a complete robotic mission

A survey of free software for the design, analysis, modelling, and simulation of an unmanned aerial vehicle

The objective of this paper is to analyze free software for the design, analysis, modelling, and simulation of an unmanned aerial vehicle (UAV). Free software is the best choice when the reduction of production costs is necessary; nevertheless, the quality of free software may vary. This paper probably does not include all of the free software, but tries to describe or mention at least the most interesting programs. The first part of this paper summarizes the essential knowledge about UAVs, including the fundamentals of flight mechanics and aerodynamics, and the structure of a UAV system. The second section generally explains the modelling and simulation of a UAV. In the main section, more than 50 free programs for the design, analysis, modelling, and simulation of a UAV are described. Although the selection of the free software has been focused on small subsonic UAVs, the software can also be used for other categories of aircraft in some cases; e.g. for MAVs and large gliders. The applications with an historical importance are also included. Finally, the results of the analysis are evaluated and discussed—a block diagram of the free software is presented, possible connections between the programs are outlined, and future improvements of the free software are suggested. © 2015, CIMNE, Barcelona, Spain.Internal Grant Agency of Tomas Bata University in Zlin [IGA/FAI/2015/001, IGA/FAI/2014/006

Desenvolvimento da infra-estrutura embarcada do projeto AURORA

Orientador : Samuel Siqueira Bueno, Maria Beatriz F. de ToledoDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: Veículos aéreos semi-autônomos não tripulados apresentam um grande potencial, ainda pouco explorado, para aplicações de pesquisa e inspeção aérea através da coleta de informações do ambiente. Tais veículos permitem que o usuário possa definir a área a ser sobrevoada, a resolução temporal e espacial dos dados que devem ser obtidos e o tipo de sensor mais adequado para cada tipo de tarefa. Contudo, o desenvolvimento deste tipo de veículo é uma atividade bastante complexa pois envolve de um lado a integração de um grande número de componentes de hardware de diferentes tipos (computadores, sensores, atuadores, link de transmissão de dados) e por outro lado o desenvolvimento do software responsável por realizar em tempo real tanto a comunicação destes dispositivos quanto o seu uso para o controle e navegação do veículo. A definição e estabelecimento de uma arquitetura, tanto de hardware quanto de software, é o elemento básico para se realizar o desenvolvimento de uma infra-estrutura integrada adequada, capaz de suportar a operação autônoma do veículo robótico. O objetivo desta dissertação é apresentar o desenvolvimento da infra-estrutura embarcada do Projeto AURORA, que visa o desenvolvimento de dirigíveis não tripulados, com elevados graus de autonomia, para aplicações de inspeção aérea. Esta dissertação aborda: os elementos de hardware utilizados no sistema embarcado; as soluções encontradas para se realizar a integração dos mesmos e; o software embarcado, responsável por realizar o tratamento de dados sensoriais, a geração de comandos para atuadores e que, também, provê o suporte para o desenvolvimento, testes e validação de algoritmos de controle e navegação. O desenvolvimento de software foi feito utilizando-se as mais modernas técnicas de engenharia de software, que permitiram um processo acelerado de implementação e testes. A infra-estrutura desenvolvida foi validada através de vôos reais, onde o dirigível era controlado remotamente e também através de vôos semi-automáticos. Os dados de telemetria, além de permitirem o acompanhamento em tempo real dos vôos também foram utilizados em uma análise posterior, validando o correto funcionamento do sistema embarcado do dirigível. A principal contribuição desse trabalho foi o desenvolvimento de um sistema embarcado próprio para ser utilizado em sistemas robóticos autônomos, validado experimentalmente através da utilização em condições reais de operação. Os resultados mais relevantes são: sistema embarcado próprio para o desenvolvimento de sistemas robóticos autônomos, o que inclui a definição do hardware e a integração dos diversos sensores embarcados; software embarcado de tempo real dedicado e; infra-estrutura de simulação para a realização de testes dos algoritmos de controle e navegaçãoAbstract: Unmanned semi-autonomous aerial vehicles present a great and unexplored potential in aerial inspection and research, collecting data &om the environment. Such vehicles allow the user to define the region that must be monitored, data spatial and temporal resolution in which the data must be acquired, and the most adequate type of sensor for each kind of mlSSlon. However, the development ofsuch kind ofvehicle is a very complex task because it involves on one hand the integration of a great number of different hardware devices (computers, sensors, actuators, data transmission link), and on the other hand the development of the software responsible for executing, in real-time, the communication between these devices, and also for providing the control and navigation capability for the vehicle. The definition and the establishment of an architecture, both hardware and software, is the basic element to do the development of an adequate integrated intTastructure, capable of supporting the autonomous operation of the robotic vehicle. The main objective of this text is to present the developrnent of the ernbedded infrastructure of AURORA's Project, which aims at the development of unmanned airships with high autonomy levels for aerial inspection applications. This text covers the following subjects: hardware devices used in the embedded system; solutions to integrate these devices; and also the embedded software, which in responsible for the treatrnent of sensorial data, generation of commands for the actuators and, also, to provide an environment for the development, test and validation of the control and navigation algorithms. The software development was realized using the most modero software engineering techniques, which allowed an accelerated process of implementation and tests. The validation of the developed infrastructure was made in real flights in which the airship was remotely controlled and also through semi-automatic flights. The collected telemetry data allowed the observation of the flights in real-time and also were used in a posterior analysis, validating the correct functioning of the airship's embedded system. The main contribution of this work was the development of an embedded system appropriate to be used in autonomous robotic systems, which was validated experimentally in real operation conditions. The most relevant results are: a suitable ernbedded system for the development of autonomous robotic systems, including the definition of the embedded hardware and integration of the ernbedded sensors; a dedicated real-time embedded software and; simulation infrastructure that allows the test of control and navigation algorithmsMestradoMestre em Ciência da Computaçã