Orientador: Antonio Maria Garcia Tommaselli / Banca: Roberto da Silva Ruy / Banca: Aluir Porfirio Dal Poz / Resumo: Devido ao elevado custo de Sistemas de Varredura a LASER Aerotransportados (SVLA) e a miniaturização de sensores, sistemas de varredura a LASER (SVL) de menor peso e custo têm sido uma alternativa para estudos florestais. Aliado a estes sistemas, a crescente utilização de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANT) possibilita a aquisição de dados com maior flexibilidade e rapidez, o que permite a utilização de SVL mais leves neste tipo de plataforma. Todavia, a integração e sincronização dos dispositivos do sistema demanda árduo trabalho de conexão eletrônica e computacional. Em casos que não seja possível realizar a sincronização eletrônica entre os dispositivos do sistema, uma alternativa é a sincronização por pósprocessamento, estabelecida por meio da relação entre os dados temporais obtidos com o LIDAR (Light Detection and Ranging) e com o GNSS (Global Navigation Sattelite Systems), durante a trajetória de voo do SVL embarcado em VANT. Para relacionar estes dados, são realizadas manobras de voo na forma senoidal durante a decolagem e pouso com o sistema, a fim de gerar pontos de máximos e mínimos. Com isso, os dados LASER e as posições da plataforma, coletados pelos dispositivos LASER e GNSS/IMU em sistemas de tempo diferentes, são relacionados por meio da diferença de distância e altura em função do tempo. Posteriormente, o tempo dos dados LASER é corrigido para tempo GPS, caracterizando a sincronização por pós-processamento, e refinado pelo Método dos Mínimos Quadrado. Desse... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Due to the high cost of Airborne LASER Scanning (ALS) and the miniaturization of sensors, low-cost and low-weight LASER systems have been an alternative for forestry studies. Together with these systems, the increasing use of Unmanned Aerial Vehicles (UAV) platforms, also low cost, enables the acquisition of data with greater flexibility and speed, which allows the use of low-weight SVL in this type of platform. However, the integration and synchronization of the devices of the system demands specialised work for electronic and computational connections. In cases where it is not possible to perform electronic synchronization between the devices of the system, an alternative is the post-processing synchronization, established through the relationship between the signals obtained with LIDAR (Light Detection and Ranging) and GNSS (Global Navigation Sattelite Systems), during the flight path of the SVL boarded in UAV. To relate these signals, flight maneuvers are performed in the a sinusoidal form shape during takeoff and landing with the system in order to obtain peaks of maximum and minimum. Thus, the LASER data and platform positions collected by the LASER and GNSS / IMU devices in different time systems are related by distance and height as a function of time. Subsequently, the LASER data time is corrected to match GPS time, characterizing the post-processing synchronization, and latter refined by the Least Square Method. In this way, the point cloud can then be generated. Th... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Devido aos erros de medida de distância, a posição estimada fornecida por um receptor GPS é imprecisa (30 metros, 2s) para aplicações que requerem precisão de centímetros em tempo real, como o de aproximação e pouso automático para aeronaves com restrição de visibilidade da pista (categoria III). Existem três fontes principais de erros: a) degradação intencional, conhecida como disponibilidade seletiva (SA) que está em processo de desativação desde 2 de maio de 2000; b) diluição da precisão (DOP) que está associada aos efeitos da distribuição geométrica dos satélites em solução de navegação. A posição relativa dos satélites disponível afeta a exatidão das coordenadas do usuário obtidas por um receptor GPS e, c) erro equivalente de distância do usuário (UERE) que é a soma das contribuições de cada fonte de erro associada a cada satélite e com a pseudodistância, e são: erros dos relógios do satélite e do usuário, erros do sistema (efemérides, atrasos devido à ionosfera, atrasos da troposfera, multicaminho e receptor). É necessário ter melhor conhecimento dos fatores desses erros e o modelo que os representa. Parte-se do conhecimento a priori da localização da antena do receptor e da obtenção a posteriori da localização exata dos satélites. Dados coletados das pseudodistâncias foram comparados às reais distâncias, obtendo-se o erro a ser modelado. Devido às características dos dados, séries temporais com estrutura de autocorrelação, levaram ao emprego do modelo ARIMA (AutoRegressive Integrated Moving Average, Autoregressivo Integrado e Médias Moveis) da metodologia de Box & Jenkins. Comprovou-se o bom desempenho do modelo com a redução do erro de cálculo da posição do usuário de 110 metros para 1,29 metros.

Além do sinal de visada direta, um receptor GPS pode receber sinais provenientes de reflexão e / ou difração sendo esses sinais denominados de multicaminho. Apesar dos contínuos avanços das tecnologias dos receptores GPS e das antenas, o sinal do multicaminho continua sendo uma das principais fontes de erro na determinação da posição do usuário e para minimizá-lo é preciso entender o seu comportamento e suas características. Esta tese visa apresentar a modelagem dos sinais de multicaminho provenientes de reflexões especulares próximas à antena do receptor e propor a utilização do novo sinal civil GPS L5 e da Filtragem Espacial Digital fazendo uso do algoritmo LMS para minimizar seus efeitos. No decorrer deste trabalho serão apresentados os planos de modernização do GPS e a estrutura do sinal GPS L5 destacando-se as principais vantagens associadas ao uso deste novo sinal no receptor GPS.

A propagação de sinais GPS provenientes de satélites com baixa elevação em dutos troposféricos é simulada através de dois métodos de predição: traçado de raios e equações parabólicas. Os dutos troposféricos são geralmente esquecidos na modelagem de enlaces satélite-receptor devido ao fato dos ângulos de elevação envolvidos serem, em geral, elevados. Na situação considerada neste trabalho os ângulos de elevação são bem pequenos, situação na qual os mecanismos de propagação anômala são dominantes e não podem ser descartados. As simulações permitem observar a potência e o ângulo de elevação do sinal confinado no duto, e análises são feitas para averiguar se existe a possibilidade de que a presença de dutos no enlace satélite-receptor possa trazer problemas ao cálculo da posição do usuário GPS.

A indústria aeroespacial investe grandes somas em seus processos de manufatura, especialmente nas ferramentas específicas e em dispositivos de precisão para verificação dimensional de grandes partes estruturais como dianteira, centrais, asas, empenagens, posicionamento e alinhamento de asas, fuselagem, diedros de semi-asas e empenagem horizontal, distâncias relativas entre asa e empenagens e superfícies móveis. Por serem construídos para usos e processos específicos, a flexibilidade da aplicação dos mesmos fica limitada, sendo necessária a criação de um novo dispositivo a cada novo processo. É estudada a viabilidade de uso do sistema GPS Indoor, assim como do Laser, através de sensores previamente localizados nas superfícies das aeronaves, na verificação precisa da posição relativa entre superfícies móveis, asas e alinhamento da fuselagem. Esses registros, conhecidos como pontos de triangulação, poderão ser utilizados tanto na inspeção final da aeronave para liberação de entrega, como para o operador verificar as condições dimensionais da mesma quando houver suspeita de perdas dimensionais em casos de pequenos acidentes, como o pouso duro, a derrapagem em pista e o pouso de barriga, entre outros.

Esta tese trata do desenvolvimento de um Sistema de Trajetografia, com a utilização de uma instrumentação instalada na aeronave conjuntamente com um sistema de recepção GPS Diferencial com medição da fase da portadora. Este trabalho, apresenta a base teórica e prática da arquitetura proposta a qual foi desenvolvida e testada experimentalmente, utilizando como plataforma de ensaio a aeronave XT-27, FAB 1321 pertencente à Divisão de Ensaios em Vôo, deste Centro. O resultado deste trabalho foi a implantação de um Sistema de Trajetografia com boa precisão, alta cadência de amostragem e custo baixo capaz de atender a maioria das campanhas de ensaios em vôo de aeronaves.

Este trabalho trata da determinação preliminar da órbita de um satélite com um receptor GPS a bordo. O método proposto, baseado no Filtro de Kalman Discreto, usa quatro medidas da pseudodistância e da sua variação temporal. O programa computacional ASAP da JPL é utilizado para simular as órbitas dos 24 satélites GPS e do satélite usuário. Para modelo do sistema, foi considerada uma órbita kepleriana. As equações de medida foram determinadas em função dos elementos orbitais dos quatro satélites GPS e do satélite usuário. Duas versões do Filtro de Kalman Discreto Linearizado foram implementadas: uma convencional, envolvendo inversão de matrizes, e a outra de forma seqüencial. A solução numérica foi analisada para os seis parâmetros orbitais do satélite usuário e para o erro de seu relógio. Os dados da órbita simulada são comparados com os dados do filtro a fim de verificar a precisão da solução numérica.

Este trabalho apresenta o projeto e construção de um barco inteligente, ou seja, com a capacidade de aprendizado e autônomo. Neste trabalho foi desenvolvida uma plataforma náutica dotada de sensores de posicionamento e de orientação visando gerar uma solução de navegação autônoma capaz de seguir uma trajetória pré-definida por um usuário. O barco foi construído a partir de uma estrutura náutica do tipo catamarã usando como sistema de propulsão rodas d';água impulsionadas por motores elétricos de corrente contínua. Foi projetado e instalado no barco um módulo embarcado contendo um computador de bordo, a eletrônica de acionamento dos motores, o sistema de comunicação e os seguintes sensores: plataforma inercial (composta por acelerômetros, girômetros e magnetômetros) e receptor GPS. O módulo embarcado se comunica com uma estação de controle em terra enviando a telemetria dos sensores e recebendo os comandos para o acionamento dos propulsores. A estação de controle foi escrita no ambiente de desenvolvimento MATLAB e implementa a solução de navegação autônoma do barco em uma interface gráfica amigável realizando os seguintes passos: 1) estimação do estado atual do barco usando fusão sensorial (INS/GPS e Bússola) baseada em Filtro de Kalman, 2) geração do comando para os propulsores por consulta à tabela de acionamento. A técnica de aprendizado por reforço Learning Automata foi usada em um ambiente de simulação, juntamente com o modelo dinâmico do barco, para gerar a tabela de acionamento dos propulsores. A solução proposta foi implementada e testada no barco real. Os resultados experimentais mostram que o barco segue uma trajetória pré-definida pelo usuário de forma autônoma com pequeno erro.

Sistemas de navegação inercial (INS) solidários fazem uso de medidas discretas no tempo de incrementos angulares e de velocidade, oriundas, respectivamente, da integração de girômetros e acelerômetros para estimar atitude, posição e velocidade com relação à Terra. A taxa de amostragem dos algoritmos que processam as medidas dos sensores é relacionado com a acurácia requerida e a carga computacional demandada. De modo a obter-se uma solução de navegação com boa acurácia e carga computacional reduzida, os algoritmos precisam ser executados em múltiplas taxas de amostragem e sistemas de coordenadas distintos - a saber, o do corpo B e da horizontal local NED. Independentemente das taxas de amostragem empregadas pelos algoritmos, os erros de navegação tendem a crescer indefinidamente com o tempo quando o INS opera em modo autônomo (stand-alone). Neste trabalho, foram analisados diversos algoritmos de navegação inercial distintos, comparando-se a carga computacional demandada e acurácia em modo autônomo que se obtêm com cada um. Com relação à solução de navegação fornecida pelos algoritmos, para que os erros tornem-se limitados, viabilizando operações de longa duração, sensores adicionais não inerciais devem ser utilizados. Assumida a disponibilidade de medidas de GPS e câmera, a acurácia da navegação pode ser melhorada por meio da fusão de dados provindos de nós de processamento locais, os quais fornecem, respectivamente, os resultados da integração INS/GPS e da INS/câmera. Neste trabalho, foram investigadas as fusões por federação de filtros - cuja otimalidade requer conhecimento da correlação entre os nós de processamento local - e por interseção de covariâncias (IC), que é subótima, mas não diverge quando há correlação desconhecida entre os sinais a serem fundidos. Para ambos métodos de fusão analisados, o INS e os nós locais são corrigidos periodicamente de acordo com o resultado da fusão, visando melhorar a acurácia da solução de navegação. A acurácia das fusões é avaliada comparando-se com o desempenho obtido por um filtro de Kalman global, o qual processa todas as medidas de todos os sensores simultaneamente.

A determinação da atitude baseada em GNSS constitui uma extensão do método de posicionamento diferencial, no qual é possível obter a posição relativa, com exatidão de $mm$, entre um par de antenas, desde que as grandezas envolvidas sejam conhecidas. Entretanto, é necessário o uso de múltiplos receptores e uma configuração especial das antenas, conhecida como sistema multi antena GNSS. Duas linhas de base definidas por três antenas determinam completamente os ângulos de Euler associados à atitude do veículo. Para que as linhas de base sejam calculadas, é necessário resolver o problema da ambiguidade de fase da onda portadora e técnicas baseadas em Mínimos Quadrados (MQ) são as mais utilizadas para este propósito. Dois algoritmos baseados em MQ foram implementados, a saber MILES e Decomposição de Cholesky, e avaliados no processo de determinação da atitude utilizando dados simulados e reais. A partir dos dados simulados efetuou-se a análise da implementação e a robustez dos métodos de busca, livre de perturbações desconhecidas. Com o conjunto de dados reais a atitude também foi calculada e comparada com a obtida a partir de um navegador de alta precisão. Os resultados obtidos apresentaram um bom desempenho para ambos os métodos de busca avaliados assim como potencial para utilização em aplicações que exijam o processamento da atitude em tempo real.