Esta tese apresenta o desenvolvimento de um acelerômetro MEMS para navegação inercial. O projeto teve que aderir e superar as fortes limitações do serviço de fabricação multi-usuário e dos escassos recursos de pós-processamento disponíveis. O elemento sensível usa a topologia de placas paralelas com realimentação de força. A deflexão da massa de prova, decorrente de uma aceleração externa, gera variação diferencial nas capacitâncias do sensor. Essa deflexão é compensada pela aplicação de força eletrostática na massa de prova. O esforço necessário para cancelar a aceleração externa torna-se então a medida do acelerômetro. A eletrônica proposta usa um amplificador de carga em circuito integrado e um circuito externo para realizar a lei de controle e gerar a realimentação de força. O desempenho teórico/simulado é de 40 ug/sqrtHz de ruído mecânico, 100 Hz de largura de banda e 10 g de fundo de escala. Este desempenho é bastante adequado para uso em navegação inercial de diversas aplicações. Foi feito o projeto do sensor MEMS, de blocos da eletrônica integrada e do compensador de realimentação de força. Para testar o conceito do circuito de leitura do sensor, foi projetada e testada uma montagem discreta. O sensor MEMS foi fabricado pelo serviço multi-usuário da MEMSCAP. Uma amostra foi pós-processada no laboratório CCS-Unicamp: foi feita uma corrosão sobre a placa central e posterior wedge bonding para a montagem. A montagem apresentou dificuldades e não foi concluída. Da eletrônica, duas rodadas de microfabricação foram realizadas na austriamicrosystems. A primeira consistiu em circuitos baseados em amplificador operacional, enquanto a segunda foi uma fonte de referência bandgap. Foram realizados os testes de ambos os circuitos integrados, que positivamente verificaram os resultados de simulação.

Sistemas de navegação inercial (INS) possuem erros de posição, velocidade e atitude divergentes com o tempo em uma taxa dependente da precisão dos sensores inerciais. Por outro lado, as taxas divergentes da INS, sistemas de posicionamento global por satélites (GNSS) e dispositivos imageadores (SD) fornecem medidas de posição, velocidade e desalinhamento com erros limitados e em baixas frequências. A complementariedade das características dos sistemas motiva a fusão de dados. A estratégia tradicional de integração é o filtro de Kalman extendido (EKF) como estimador do vetor de erros. Sob certas condições, o filtro de Kalman é o estimador ótimo sob ampla variedade de critérios. Essas condições necessitam de uma modelagem acurada da dinâmica da planta e da sintonia das estatísticas do ruído de modelo e sensores. Portanto, erros de modelagem e sintonia impossibilitam otimalidade e consistência estatística do erro de estimação do filtro e ainda podem levá-lo à divergência. O presente trabalho aborda o problema de buscar a consistência estatística na operação do filtro de Kalman estendido através de técnicas de sintonia automática do ruído de modelagem, a saber, Estimação Adaptativa baseada em Inovação (IAE) e Escalonamento do Ruído de Modelo (SPN). Será experimentalmente demonstrado que IAE falha ao sintonizar o filtro. Será proposta uma alteração na estratégia IAE, a saber, Estimação Adaptativa baseada em Inovação Parcial (IAEP), que deixará o filtro consistente e habilitado a fornecer uma solução de navegação satisfatória. Resultados são obtidos por simulações, onde um veículo aéreo não-tripulado voa uma trajetória conhecida com medidas de sensores inerciais corrompidas por um modelo de constante aleatória e ruído branco. Erros de posição e velocidade, desalinhamento, bias de acelerômetro, deriva de girômetro e erros de relógio GNSS são estimados através da fusão INS/GNSS/SD e testados para consistência estatística em diversos cenários. Adicionalmente, o algoritmo de navegação inercial operando autonomamente é avaliado através de dados reais obtidos em um experimento em montanha-russa.

O modelo dinâmico da aeronave é combinado com medidas obtidas com sensores GPS e INS visando obter redução nas incertezas de determinação de posição. Esta combinação é calculada de modo ótimo, no sentido de média quadrática, empregando-se o Filtro de Kalman Estendido para obter estimativas de posição com acurácia adequada para utilização em navegação de área (RNAV). As medidas obtidas com os sensores GPS e INS são simuladas através da utilização de modelos de erros conservativos para corromper a informação de posição dada pelo método dinâmico da aeronave. As medidas do GPS são disponibilizadas com freqüência de 2Hz enquanto que as do INS são disponibilizadas com 100Hz, sendo também esta a freqüência de atualização do Filtro de Kalman. Na configuração proposta, as estimativas de posição obtidas são suficientemente acuradas para garantir níveis RNP da ordem de 0,037 milha náutica durante um mínimo de 95% do tempo de vôo.

Este trabalho investiga sistemas de navegação INS/GNSS auxiliado por medidas de baseline e ângulo GNSS. Os dados gerados para as simulações foram os dados IMU, dados GNSS e informações de baseline e ângulo GNSS. Estas informações, determinadas a partir de um sistema multiantenas para o posicionamento simples e relativo e no método direto, respectivamente, foram utilizadas como medidas auxiliares para a fusão INS/GNSS. Foi estudada a influência dessas medidas auxiliares nas estimativas de atitude do navegador, mais especificamente no ângulo de yaw, pois o acoplamento da dinâmica do sistema com este ângulo é fraco. Assim, a principal contribuição das medidas adicionais ocorre para este ângulo. Adicionalmente, foi feito um estudo da navegação INS/GNSS usando dados reais SIG-IMU/NAVCON para análise dos biase, baseado em um maior número de realizações, analisou-se a influência do valor de estimativa do erro de atitude do navegador INS/GNSS no erro máximo de posição. Uma interface gráfica foi aprimorada de modo a facilitar as mudanças nos parâmetros do sistema e as simulações dos vários casos, tais como navegação INS/GNSS sem auxílio e com auxílio de baseline e ângulo GNSS, falha do sinal GNSS e navegação INS/GNSS utilizando dados reais.

Este trabalho teve por objetivo o desenvolvimento de um sistema de controle de navegação para um veículo autônomo utilizando lógica difusa. Atribui-se o nome de SNAT (Sistema de navegação-autônoma para um triciclo). O sistema é responsável pela automatização do processo de navegação de um veículo de testes monitorado e controlado de uma base remota mediante enlace de telemetria de dados. O usuário do sistema, pela tela principal da aplicação indica os pontos a seguir, cada um destes é referenciado pela sua latitude e longitude no mapa. Uma vez iniciada a navegação, o sistema de controle recebe periodicamente pacotes de dados da posição e direção do veículo; estes dados são processados pelo controlador difuso que gera os comandos para atuação sobre o veículo. O controlador difuso traduz as expressões qualitativas, comuns na comunicação humana em valores numéricos que representam a direção e a velocidade para manter ou corrigir a navegação do veículo de testes pelo rumo desejado. Nesta dissertação são apresentados diversos aspectos do desenvolvimento do controlador de navegação difusa, os mecanismos de comunicação e acionamento do veículo de uma base remota e os testes realizados que mostram os resultados do SNAT controlando automaticamente a navegação do veículo de testes. / This work had as a goal the development of a fuzzy logic based navigation control system for an autonomous vehicle. The developed control system was named SNAT (from the equivalent in portuguese of autonomous navigation system for a tricycle). The system controls and monitors the navigation of the vehicle from a remote base station using a telemetry data link. The user indicates, using a developed application, the navigation waypoints, referencing them by their latitude and longitude coordinates in a map. When the navigation starts, the system receives periodically data packets indicating the position and direction of the vehicle, these data are processed by the fuzzy control which returns commands to actuate over the vehicle. The fuzzy control translates qualitative expressions, common in human communication, into numerical values that represent the speed and the direction to keep the vehicle as near as possible to the desired navigation route. Many development aspects of the fuzzy controller and of the communication and actuation over the vehicle from the remote base are presented. Also are presented some results of the control system over navigation of the vehicle, which demonstrate that the system operates in a quite satisfactory manner.

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Este trabalho teve por objetivo o desenvolvimento de um sistema de controle de navegação para um veículo autônomo utilizando lógica difusa. Atribui-se o nome de SNAT (Sistema de navegação-autônoma para um triciclo). O sistema é responsável pela automatização do processo de navegação de um veículo de testes monitorado e controlado de uma base remota mediante enlace de telemetria de dados. O usuário do sistema, pela tela principal da aplicação indica os pontos a seguir, cada um destes é referenciado pela sua latitude e longitude no mapa. Uma vez iniciada a navegação, o sistema de controle recebe periodicamente pacotes de dados da posição e direção do veículo; estes dados são processados pelo controlador difuso que gera os comandos para atuação sobre o veículo. O controlador difuso traduz as expressões qualitativas, comuns na comunicação humana em valores numéricos que representam a direção e a velocidade para manter ou corrigir a navegação do veículo de testes pelo rumo desejado. Nesta dissertação são apresentados diversos aspectos do desenvolvimento do controlador de navegação difusa, os mecanismos de comunicação e acionamento do veículo de uma base remota e os testes realizados que mostram os resultados do SNAT controlando automaticamente a navegação do veículo de testes. / This work had as a goal the development of a fuzzy logic based navigation control system for an autonomous vehicle. The developed control system was named SNAT (from the equivalent in portuguese of autonomous navigation system for a tricycle). The system controls and monitors the navigation of the vehicle from a remote base station using a telemetry data link. The user indicates, using a developed application, the navigation waypoints, referencing them by their latitude and longitude coordinates in a map. When the navigation starts, the system receives periodically data packets indicating the position and direction of the vehicle, these data are processed by the fuzzy control which returns commands to actuate over the vehicle. The fuzzy control translates qualitative expressions, common in human communication, into numerical values that represent the speed and the direction to keep the vehicle as near as possible to the desired navigation route. Many development aspects of the fuzzy controller and of the communication and actuation over the vehicle from the remote base are presented. Also are presented some results of the control system over navigation of the vehicle, which demonstrate that the system operates in a quite satisfactory manner.

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores (área de especialização de Informática Industrial), na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. sob a orientação do Professor Doutor Francisco José de Oliveira Restivo

Tese de mestrado integrado. Engenharia Informática e Computação. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Dissertation submitted for obtain the degree of Doctor, at the Faculty of Engineering of the University of Porto