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1. Departamento de Engenharia Electrotécnica S.A.M.I.S.H.Sistema de Aquisição e Monitorização de InformaçãoSensorial de um Helicóptero Diogo Sousa, nº 042165697 João Cardoso, nº 042165686Projecto Final de Curso de Licenciatura em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Orientadores: Prof. Tito AmaralProf. Filipe Cardoso Fevereiro/2010 2. Curso:Licenciatura em Engenharia Electrotécnica e de ComputadoresTítulo do Projecto:SAMISH - Sistema de Aquisição e Medição de Informação Sensorial de umHelicópteroAutores:Diogo Rodrigues de Sousa, nº 042165697 Ramo de Electrónica e ComputadoresJoão Vitor Ramalho Cardoso, nº 042165686 - Ramo de Electrónica e TelecomunicaçõesOrientador:Prof. Tito Gerardo Batoreo AmaralCo-Orientador:Prof. Filipe Duarte dos Santos CardosoProjecto entregue em:Fevereiro de 2010 3. Sistema de Aquisição e Monitorização de Informação Sensorial de um HelicópteroAgradecimentos A realização deste projecto final é o culminar de um longo percurso académico,o qual não teria sido possível sem o apoio, ajuda e motivação dos meus pais e família,que sempre estiveram presentes e sempre compreenderam os motivos que me levaram aroubar-lhes tempo para a escola, para o trabalho e para este projecto. Aos colegas e amigos deixo aqui expresso um grande obrigado, por todo o apoioe ajuda, mas principalmente pelos bons momentos e recordações da vida académica. Obrigado aos nossos orientadores, Prof. Tito Amaral e Prof. Filipe Cardoso, poracreditarem em nós e pela vossa orientação e ajuda ao longo do projecto. Por último,mas não menos importantes, obrigado aos encarregados de trabalhos João Silva e RuiPimenta, pela paciência e disponibilidade.João Vitor Ramalho Cardoso Antes de mais gostaria de expressar os meus sinceros agradecimentos a todas aspessoas que, de alguma forma, contribuíram para a realização deste Projecto Final deCurso e de forma mais específica: Ao Prof. Tito Amaral e Prof. Filipe Cardoso, orientadores do projecto, pela suacoordenação, acompanhamento e motivação. Por fim um 166 Download (/download/link/final-project-report-pt) agradecimento muito especial para os meus pais, amigos e Marisapelo permanente apoio e compreensão em cada All materials on our website are shared by users. If you have any questions about copyright issues, please report (/document/report/final-projectmomento da elaboração deste projecto. Diogo Rodrigues de Sousa -ireport-pt) us to resolve them. We are always happy to assist you. 4. Sistema de Aquisição e Monitorização de Informação Sensorial de um HelicópteroResumo Os veículos aéreos autónomos (UAV - Unmanned Aerial Vehicle) têm vindo aser utilizados na vigilância e reconhecimento aéreo, onde a613 FINAL PROJECT REPORT - PT intervenção directa do serHumano é impossível, dispendiosa ou perigosa. O helicóptero é o veículo de eleiçãodevido views by joao-cardoso à sua versatilidade dinâmica. No entanto é necessária a correcta aquisição eprocessamento da informação sensorial on May 25, 2015 Category: Download: 0 existente no helicóptero, sendo este o contextodo projecto SAMISH (Sistema de Aquisição e Monitorização de Report (/document/report/final-projectComment: 0 DOCUMENTS Informação Sensorialde um Helicóptero). O projecto é constituído por duas partes: uma estação remota e uma report-pt) (/category/documents.html) estaçãobase. A estação remota é constituída por uma rede sensorial que é composta por umGPS, dois sonares, um 0 Share Tweet Share Share Like 0 acelerómetro, um giroscópio e um controlador ligados entre siatravés de uma rede CAN (Controller Area Network). Esta rede consiste numbarramento composto por um par de fios e dois terminadores, proporcionando Comments umacomunicação em série. Os dados são recolhidos pelo nó CAN controlador que processa,e envia os dados sensoriais através de um módulo ZigBee para uma estação base. A estação base consiste numa aplicação para PC, 0 Comments Sort by Oldest desenvolvida na linguagem C#,que permite a monitorização dos dados sensoriais adquiridos remotamente. O PC,recorrendo a um módulo ZigBee, recebe os dados enviados pela estação remotapermitindo a sua visualização e registo em base de dados. As áreas de aplicação do projecto estendem-se, entre outras, à detecção deincêndios, busca e salvamento e fotografia aérea, sendo para tal necessário adicionar àrede CAN os sensores específicos para Add a comment... cada aplicação.Palavras-chave: veículo autónomo aéreo, GPS, sonar, acelerómetro, giroscópio, CAN,ZigBee, estação remota, estação base. - ii 5. Sistema de Aquisição e Monitorização de Informação Sensorial de um HelicópteroAbstract Unmanned Aerial Vehicle (UAV) have seen their applications in surveillanceand aerial recognition in situations where the direct Human Facebook Comments Plugin intervention is impossible,expensive or dangerous. The helicopter is the vehicle of choice due it´s dynamiccharacteristics. The first step for controlling an unmanned aerial vehicle is the correctacquisition and signal Description processing of the sensorial network in the helicopter, being thisthe context of the SAMISH project. The project is structured in two parts, a remote station and a base station. Theremote station consists in a sensorial network Download FInal Project Report - PT composed by a GPS, sonar,accelerometer, a gyroscope and a controller node connected by CAN (Controller AreaNetwork). This network consists in a bus with a pair of lines and two terminators ineach end of the bus. The data Transcript is acquired and processed by a master CAN node, whichtransmits the sensorial information to a base station via an ZigBee module. The base station consists on a software application, developed in C#, whichallows the monitoring of 1. Departamento de Engenharia Electrotécnica S.A.M.I.S.H.Sistema de Aquisição e Monitorização de the acquired sensorial data. The software application receivesthe telemetric data through an ZigBee RF module, InformaçãoSensorial de um Helicóptero Diogo Sousa, nº 042165697 João Cardoso, nº 042165686Projecto Final connected to a serial port (RS232),and displays the information on the computer screen. This project can be applied de Curso de Licenciatura em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Orientadores: Prof. Tito AmaralProf. in areas, such as fire detection, search and rescue,aerial photograph and others, requiring adding the desired Filipe Cardoso Fevereiro/2010 sensors to the CAN networkfor each specific application.Keywords: unmanned aerial vehicle, GPS, sonar, 2. Curso:Licenciatura em Engenharia Electrotécnica e de ComputadoresTítulo do Projecto:SAMISH - Sistema de accelerometer, gyroscope, CAN,ZigBee, base station, remote station.- iii Aquisição e Medição de Informação Sensorial de umHelicópteroAutores:Diogo Rodrigues de Sousa, nº 042165697 6. Sistema de Aquisição e Monitorização de Informação Sensorial de um HelicópteroÍndiceAgradecimentos Ramo de Electrónica e ComputadoresJoão Vitor Ramalho Cardoso, nº 042165686 - Ramo de Electrónica e ................................................................................................................. iResumo TelecomunicaçõesOrientador:Prof. Tito Gerardo Batoreo AmaralCo-Orientador:Prof. Filipe Duarte dos Santos ............................................................................................................................. iiAbstract CardosoProjecto entregue em:Fevereiro de 2010 ............................................................................................................................ iiiÍndice 3. Sistema de Aquisição e Monitorização de Informação Sensorial de um HelicópteroAgradecimentos A realização ............................................................................................................................... ivLista de Figuras deste projecto final é o culminar de um longo percurso académico,o qual não teria sido possível sem o apoio, ajuda e ............................................................................................................... viLista de Tabelas motivação dos meus pais e família,que sempre estiveram presentes e sempre compreenderam os motivos que me ............................................................................................................. viiiLista de Siglas e Acrónimos levaram aroubar-lhes tempo para a escola, para o trabalho e para este projecto. Aos colegas e amigos deixo aqui ............................................................................................ ix1. Introdução expresso um grande obrigado, por todo o apoioe ajuda, mas principalmente pelos bons momentos e recordações da ..................................................................................................................... 1 1.1. Contexto e Motivação vida académica. Obrigado aos nossos orientadores, Prof. Tito Amaral e Prof. Filipe Cardoso, poracreditarem em nós e ............................................................................................ 1 1.2. Descrição Global do Projecto pela vossa orientação e ajuda ao longo do projecto. Por último,mas não menos importantes, obrigado aos ................................................................................ 2 1.3. Organização do Trabalho encarregados de trabalhos João Silva e RuiPimenta, pela paciência e disponibilidade.João Vitor Ramalho Cardoso ....................................................................................... 32. Conceitos Teóricos Antes de mais gostaria de expressar os meus sinceros agradecimentos a todas aspessoas que, de alguma forma, ....................................................................................................... 4 2.1. Sistema de Posicionamento contribuíram para a realização deste Projecto Final deCurso e de forma mais específica: Ao Prof. Tito Amaral e Prof. Global........................................................................ 4 2.1.1. Contexto histórico Filipe Cardoso, orientadores do projecto, pela suacoordenação, acompanhamento e motivação. Por fim um ........................................................................................... 4 2.1.2. Conceitos básicos agradecimento muito especial para os meus pais, amigos e Marisapelo permanente apoio e compreensão em cada ............................................................................................ 5 2.1.3. Protocolo NMEA momento da elaboração deste projecto. Diogo Rodrigues de Sousa -i............................................................................................. 9 2.2. O Ultra-Som 4. Sistema de Aquisição e Monitorização de Informação Sensorial de um HelicópteroResumo Os veículos aéreos ......................................................................................................... 12 2.3. Acelerómetro autónomos (UAV - Unmanned Aerial Vehicle) têm vindo aser utilizados na vigilância e reconhecimento aéreo, onde a ....................................................................................................... 15 2.4. Giroscópio intervenção directa do serHumano é impossível, dispendiosa ou perigosa. O helicóptero é o veículo de eleiçãodevido à ............................................................................................................ 18 2.5. Controller Area Network (CAN) sua versatilidade dinâmica. No entanto é necessária a correcta aquisição eprocessamento da informação sensorial .......................................................................... 20 2.5.1. Características de uma rede CAN existente no helicóptero, sendo este o contextodo projecto SAMISH (Sistema de Aquisição e Monitorização de .................................................................. 20 2.5.2. Princípio de Informação Sensorialde um Helicóptero). O projecto é constituído por duas partes: uma estação remota e uma Funcionamento.......................................................................... 21 2.5.3. Sincronização estaçãobase. A estação remota é constituída por uma rede sensorial que é composta por umGPS, dois sonares, um ................................................................................................ 23 2.5.4. Tipos de Tramas numa Rede CAN acelerómetro, um giroscópio e um controlador ligados entre siatravés de uma rede CAN (Controller Area Network). Esta ................................................................ 24 2.5.5. Detecção e Tratamento de Erros na Rede rede consiste numbarramento composto por um par de fios e dois terminadores, proporcionando umacomunicação em ..................................................... 263. Ferramentas de Desenvolvimento série. Os dados são recolhidos pelo nó CAN controlador que processa,e envia os dados sensoriais através de um .............................................................................. 28 3.1. IDE MPLAB módulo ZigBee para uma estação base. A estação base consiste numa aplicação para PC, desenvolvida na linguagem ......................................................................................................... 28 3.2. Programador PICKit2 C#,que permite a monitorização dos dados sensoriais adquiridos remotamente. O PC,recorrendo a um módulo ZigBee, .......................................................................................... 30 3.3. Programa X-CTU recebe os dados enviados pela estação remotapermitindo a sua visualização e registo em base de dados. As áreas de ................................................................................................. 31 3.4. Microsoft Framework .NET 3.5 aplicação do projecto estendem-se, entre outras, à detecção deincêndios, busca e salvamento e fotografia aérea, ........................................................................... 33 3.4.1. Microsoft Visual C# Express sendo para tal necessário adicionar àrede CAN os sensores específicos para cada aplicação.Palavras-chave: veículo ......................................................................... 33 3.4.2. Microsoft SQL Server Compact autónomo aéreo, GPS, sonar, acelerómetro, giroscópio, CAN,ZigBee, estação remota, estação base. - ii Edition........................................................ 344. Módulos XBee PRO 868 5. Sistema de Aquisição e Monitorização de Informação Sensorial de um HelicópteroAbstract Unmanned Aerial ............................................................................................. 365. Implementação da Estação Remota Vehicle (UAV) have seen their applications in surveillanceand aerial recognition in situations where the direct Human ............................................................................ 39 5.1. Funcionalidades dos Nós intervention is impossible,expensive or dangerous. The helicopter is the vehicle of choice due it´s ..................................................................................... 40 5.2. Microcontrolador PIC18F2580 dynamiccharacteristics. The first step for controlling an unmanned aerial vehicle is the correctacquisition and signal ........................................................................... 42 5.3. Nó GPS processing of the sensorial network in the helicopter, being thisthe context of the SAMISH project. The project is ................................................................................................................ 45 5.4. Nó Sonar structured in two parts, a remote station and a base station. Theremote station consists in a sensorial network .............................................................................................................. 50 5.5. Nó composed by a GPS, sonar,accelerometer, a gyroscope and a controller node connected by CAN (Controller Acelerómetro.................................................................................................. 56 5.6. Nó Giroscópio AreaNetwork). This network consists in a bus with a pair of lines and two terminators ineach end of the bus. The data is ...................................................................................................... 64 5.7. Nó Controlador acquired and processed by a master CAN node, whichtransmits the sensorial information to a base station via an ZigBee .................................................................................................... 70 - iv module. The base station consists on a software application, developed in C#, whichallows the monitoring of the 7. Sistema de Aquisição e Monitorização de Informação Sensorial de um Helicóptero6. Implementação da Estação acquired sensorial data. The software application receivesthe telemetric data through an ZigBee RF module, connected Base ................................................................................ 74 6.1. Funcionalidades da aplicação SAMISH to a serial port (RS232),and displays the information on the computer screen. This project can be applied in areas, such .............................................................. 74 6.2. Modularidade de sensores as fire detection, search and rescue,aerial photograph and others, requiring adding the desired sensors to the CAN .................................................................................... 76 6.3. Tratamento e visualização de dados networkfor each specific application.Keywords: unmanned aerial vehicle, GPS, sonar, accelerometer, gyroscope, .................................................................... 797. Resultados Experimentais CAN,ZigBee, base station, remote station.- iii .......................................................................................... 85 7.1. Actualização de Dados no Nó Controlador 6. Sistema de Aquisição e Monitorização de Informação Sensorial de um HelicópteroÍndiceAgradecimentos ......................................................... 85 7.1.1. Nó Acelerómetro ................................................................................................................. iResumo ........................................................................................... 85 7.1.2. Nó GPS ............................................................................................................................. iiAbstract .......................................................................................................... 86 7.1.3. Nó Giroscópio ............................................................................................................................ iiiÍndice ............................................................................................... 87 7.1.4. Nó ............................................................................................................................... ivLista de Figuras Sonar........................................................................................................ 88 7.2. Sinais Processados no Nó Sonar ............................................................................................................... viLista de Tabelas .......................................................................... 89 7.3. Sinais Processados no Nó Giroscópio ............................................................................................................. viiiLista de Siglas e Acrónimos ................................................................. 91 7.4. Barramento CAN ............................................................................................ ix1. Introdução .................................................................................................. 92 7.5. Testes de Cobertura dos Módulos XBee ..................................................................................................................... 1 1.1. Contexto e Motivação .............................................................. 938. Conclusões e Desenvolvimentos Futuros ............................................................................................ 1 1.2. Descrição Global do Projecto ................................................................... 96Bibliografia ................................................................................ 2 1.3. Organização do Trabalho ..................................................................................................................... 97Anexos ....................................................................................... 32. Conceitos Teóricos ............................................................................................................................ 99 Anexo A - Esquemas eléctricos ....................................................................................................... 4 2.1. Sistema de Posicionamento ............................................................................ 100 Anexo B - Placas de circuito Global........................................................................ 4 2.1.1. Contexto histórico impresso.................................................................. 106 Anexo C - Código em C implementado em cada PIC ........................................................................................... 4 2.1.2. Conceitos básicos .......................................... 112 Anexo D - Código fonte em C# do software SAMISH......................................... 121-v............................................................................................ 5 2.1.3. Protocolo NMEA 8. Sistema de Aquisição e Monitorização de Informação Sensorial de um HelicópteroLista de FigurasFigura 1 ............................................................................................. 9 2.2. O Ultra-Som Diagrama de blocos geral do projecto SAMISH. .......................................... 2Figura 2 - Diagrama de blocos ......................................................................................................... 12 2.3. Acelerómetro pormenorizado do projecto SAMISH. .......................... 2Figura 3 - Constelação dos vinte e quatro satélites do sistema ....................................................................................................... 15 2.4. Giroscópio GPS (extraído de [3]). .. 6Figura 4 - Cálculo da posição através da triangulação (extraído de [3]). ....................... ............................................................................................................ 18 2.5. Controller Area Network (CAN) 7Figura 5 - Caracterização das gamas de frequência (extraído de [7]). ......................... 12Figura 6 - Modelo .......................................................................... 20 2.5.1. Características de uma rede CAN mecânico de um acelerómetro (extraído de [12]). .......................... 16Figura 7 - Estrutura de um acelerómetro MEMS .................................................................. 20 2.5.2. Princípio de (extraído de [13]). ............................ 16Figura 8 - Representação dos três eixos de rotação. Funcionamento.......................................................................... 21 2.5.3. Sincronização ..................................................... 18Figura 9 - Giroscópio mecânico (extraído de [14]). ................................................................................................ 23 2.5.4. Tipos de Tramas numa Rede CAN ..................................................... 19Figura 10 - Arquitectura de um nó CAN. ................................................................ 24 2.5.5. Detecção e Tratamento de Erros na Rede ....................................................................... 21Figura 11 - Barramento CAN. ..................................................... 263. Ferramentas de Desenvolvimento ......................................................................................... 22Figura 12 - Segmentação de um bit (extraído de [15]). .............................................................................. 28 3.1. IDE MPLAB .................................................. 23Figura 13 - Ajuste do tempo Phase2 do bit (extraído de [17]). ......................................................................................................... 28 3.2. Programador PICKit2 ...................................... 24Figura 14 - Ajuste do tempo Phase2 do bit (extraído de [17]). ...................................... .......................................................................................... 30 3.3. Programa X-CTU 24Figura 15 - Transições de estados dos nós. .................................................................... 27Figura 16 - Janela do ................................................................................................. 31 3.4. Microsoft Framework .NET 3.5 IDE MPLAB. ................................................................................ 28Figura 17 - Clone do PICkit2 (em cima) e PICkit2 ........................................................................... 33 3.4.1. Microsoft Visual C# Express (em baixo). .................................... 30Figura 18 - Aspecto da janela inicial do X-CTU. ......................................................................... 33 3.4.2. Microsoft SQL Server Compact ........................................................... 31Figura 19 - Teste de cobertura no X-CTU.
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