Um sistema inercial de baixo custo empregando sensores microeletromecânicos foi desenvolvido para comprovar a viabilidade de sua utilização como equipamento de apoio a atividades de laboratório em disciplinas de navegação inercial. O desenvolvimento de hardwares e softwares é descrito, bem como um estudo dos modelos matemáticos e equacionamentos. Por fim, conclusões referentes ao objetivo proposto são apresentadas.

Orientador : Prof. Dr. Alvaro Muriel Lima Machado / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências da Terra, Programa de Pós-Graduação em Ciências Geodésicas. Defesa: Curitiba, 25/03/2015 / Inclui referências : f. 117-122 / Resumo: Atualmente, existe grande preocupação com relação aos problemas causados por desastres naturais, em especial, pelas inundações. Com o objetivo de contribuir regionalmente, encontra-se em desenvolvimento um projeto de monitoramento de desastres naturais. Este sistema é composto de boias que medem as variações do nível da água e utiliza tecnologia GPS. O GPS é um dos métodos de posicionamento mais utilizados e que fornece dados de forma acurada. Porém, em certos casos, pode haver perdas do sinal do satélite. Desta forma, a integração com outros sensores permite melhorar a solução. Os sensores inerciais operam em qualquer ambiente e não dependem da informação de fontes externas. Contudo, as informações de saída dos sensores inerciais apresentam diversos erros que comprometem o posicionamento. Alguns procedimentos permitem reduzir significantemente estes erros. A calibração permite estimar erros sistemáticos. Os métodos de calibração mais acurados são realizados em laboratórios e exigem instrumentos muito precisos e onerosos. Alguns métodos de calibração, como o Método de Calibração Multi-Posições, foram desenvolvidos para serem ferramentas eficientes e que podem ser aplicadas em campo, sem a utilização de qualquer instrumento de calibração externa. Ao invés disso, são necessárias numerosas medidas de atitude do equipamento e utiliza-se a magnitude da gravidade como referência para a calibração de acelerômetros. Ainda é necessário considerar o efeito de erros aleatórios sobre as medidas inerciais. Estes erros são compostos de ruídos, causados por diversos tipos de fontes. Existem diferentes formas de se estimar os ruídos. Neste trabalho foi utilizado o teste da Variância de Allan para tal finalidade. Os parâmetros dos erros sistemáticos de deriva, de fator de escala e de não-ortogonalidade, foram determinados utilizando o método de Calibração Multi- Posições Modificado, apresentado por Syed et al. (2007). A aplicação dos ruídos e parâmetros de erro calculados foi verificada a partir de dois testes. O primeiro teste de verificação consistiu no cálculo de uma trajetória realizada pelos acelerômetros com relação a uma trajetória de referência determinada por GPS. No segundo teste foram determinados deslocamentos verticais com o auxílio de um servomotor, a fim de simular a variação do nível da água. Em ambos os testes verificou-se que a correção das acelerações com os parâmetros de calibração e de ruídos acarretam em uma melhora significativa na solução final. / Abstract: Nowadays, there is a big concern about the problems caused by natural disasters, especially floods. In order to contribute regionally, a natural disaster monitoring project is in development. This system consists of buoys that measure the variations in the water level and uses GPS technology. GPS is one of the most used positioning methods and provides data accurately. However, in some cases, there may be satellite signal loss. Thus, the integration with other sensors can improve the solution. The inertial sensors operate in any environment and don't rely on information from external sources. However, the output information of the inertial sensors has several errors that compromise the positioning. Some procedures allow significantly reduction of these errors. Calibration allows the estimation of systematic errors. The most accurate calibration methods are carried out in laboratories and they require very precise and expensive instruments. Some calibration methods, such as Multi-Position Calibration Method, have been developed to be an effective tool, which can be applied in the field without the use of any external calibration instrument. Instead, many equipment attitude measures are required and the magnitude of gravity is used as a reference for calibration of accelerometers. It is still necessary to consider the effect of random errors on the inertial measurements. These errors consist of noise caused by different types of sources. There are different ways to estimate the noise. In this study, we used the Allan Variance test for this purpose. The parameters of systematic errors, bias, scale factor and nonorthogonality, were determined using the Modified Multi-Positions Calibration Method, presented by Syed et al. (2007). The application of the noise and error parameters calculated was verified from two tests. The first verification test consisted in calculating a trajectory made by accelerometers towards a given reference GPS trajectory. In the second test, vertical movements were determined with the aid of a servomotor in order to simulate the variation of water level. In both tests, it was found that the acceleration correction with the calibration parameters and noise lead to a significant improvement in the final solution.

Orientador: Silvio Rogério Correia de Freitas / Co-orientadores: Cláudia Pereira Krueger e Günter Seeber / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciencias da Terra, Programa de Pós-Graduaçao em Ciencias Geodésicas. Defesa: Curitiba, 2005 / Inclui bibliografia

A presente pesquisa engloba a análise de diversos aspectos a respeito da avaliação de irregularidade longitudinal de pavimentos, tratando mais detidamente das situações em que tal avaliação é executada a partir de perfis longitudinais medidos com perfilômetros inerciais, tipo de equipamento que também é objeto de exame. A análise é iniciada com o entendimento da evolução histórica deste tipo de avaliação funcional que abrange não só os equipamentos, como também os métodos de avaliação e os índices de irregularidade utilizados no Brasil. O trabalho relata as principais etapas do desenvolvimento do perfilômetro inercial que foi usado nesta pesquisa, seus aspectos técnicos e operacionais, além dos resultados dos testes que evidenciaram seu funcionamento e também uma comparação com os resultados obtidos por um medidor de irregularidade do tipo resposta. A pesquisa é completada com uma série de análises a respeito do método mais adequado para a verificação do funcionamento de perfilômetros inerciais, abarcando importantes recomendações para a escolha e medição de perfis de referência indispensáveis em tais verificações. São discutidos importantes aspectos do processamento de perfis para a determinação do QI que concluíram pela indicação da redução do espaçamento entre pontos do perfil para 25 cm. As incertezas dos índices QI e IRI obtidos a partir de perfilômetros inerciais são também abordadas, sendo que se constatou que o índice QI é afetado por grandes comprimentos de onda que normalmente não são considerados como irregularidade. A correlação entre os índices QI e IRI é amplamente avaliada através de dados reais de perfis de centenas de quilômetros de rodovias, que evidenciaram a existência de grande dispersão em tal correlação indicando que o melhor é não correlacioná-los. Por fim, a pesquisa deixa como legado a proposta de um anteprojeto de norma brasileira para este tipo de avaliação que abarca os julgamentos de todo o trabalho. / This research includes de analysis of several aspects regarding longitudinal pavement roughness evaluation, more specifically when these evaluations are done using an inertial profiler - kind o equipment that is also an object of this study. The analysis is initiated with the comprehension of the historical evolution of this type of functional evaluation that not only encloses equipment, but also the methods and the roughness indexes more common in Brazil. The main stages throughout of the development of the inertial profiler used on this research, its technical and operational features, the results of the tests that proved its good functionality and also the comparison of the results obtained with a response type roughness meter were incorporated. The research is completed with a series of analysis regarding the methods more appropriate for the verification of inertial profilers functioning, including important recommendations for the choice and measurement of reference profiles, indispensable in such verifications. Important aspects concerning profiles processing for the QI determination were verified and concluded for reduction of the displacement between the profile elevations for 25 cm. The uncertainties of QI and IRI indexes obtained from inertial profiles measurements were also researched and at this opportunity it was verified that value of QI is affected by long wavelengths that usually are not considered roughness. The correlation between QI and IRI indexes were widely evaluated using real data of hundreds of kilometers of highways profiles, and evidenced the existence of a great dispersion in such correlation what indicates that the best recommendation is not to correlate them. Finally, this research leaves as a legacy the proposal of a first draft for a Brazilian standard for this type of roughness evaluation that accumulates most of the judgments presented here.

A proposta deste trabalho é contribuir com a construção de uma plataforma de veículo autônomo para viabilizar as pesquisas na área pelo Departamento de Engenharia de Transportes da USP. Até o momento o departamento dispõe de uma plataforma que, a partir de sua posição conhecida, consegue navegar autonomamente até um ponto de destino utilizando apenas uma solução GNSS, no caso, GPS. Para ampliar a mobilidade da plataforma, está sendo sugerida aqui, a adição de sensores inerciais ao veículo, para que ele consiga obter uma solução de posição mesmo em áreas sem cobertura GNSS. Um Sistema de Navegação Inercial não depende de infraestrutura externa, exceto para inicializar suas variáveis, o que neste caso pode ser feito com auxílio de um receptor GPS. Sensores inerciais de alto desempenho são caros, tem alta complexidade mecânica e em geral são de grande porte. A alternativa é o uso de sensores do tipo MEMS que são pequenos, fáceis de serem manipulados e apresentam baixo consumo de energia. A contrapartida é que a solução é mais susceptível a ruído do que seus pares que custam na faixa de centena de milhões de dólares. / The proposal of this paper is to build an autonomous vehicle platform to enable the researches in this area by the Transport Engineering Department of the USP. Until now the Department has a platform that, once its initial position is known, it can navigate autonomously to a destination point using only the GNSS, in this case, GPS. To expand the mobility resources of the platform, it is being suggested here the addition of inertial sensors to the vehicle, enabling it to acquire a position solution even in areas where there is no coverage of the GNSS. An Inertial Navigation System does not depend on an external infra-structure, with the exception on the initial setup, where the GPS can be used to provide this kind of initialization. High performance inertial sensors are expensive, have high mechanical complexity and in general are big. The alternative is the usage of MEMS sensors, which are small, easy to handle and has low power consumption. In the opposite side this solution is more susceptible to noises in comparison to those High performance sensors that cost hundreds of thousands of dollars.

Este trabalho consiste no desenvolvimento de um software que lê acelerações e rotações armazenadas em um arquivo binário ou as recebe da plataforma inercial 3DM-GX1 da MicroStation, além disso usa a biblioteca gráfica OpenGL (Open Graphic Library) para simular os efeitos desses dados na tela de um microcomputador. O software possui dois modos de operação, o modo denominado Normal e o modo Emulador. No modo Normal o software pode ser usado para se comunicar com a plataforma inercial 3DM-GX1 ou carregar um arquivo binário, mostrar graficamente as informações recebidas da plataforma ou do arquivo, armazenar os dados em um arquivo binário que pode ser carregado posteriormente e exportar os dados para arquivos texto, em formato compatível com alguns aplicativos como, por exemplo, Excel e Matlab. No modo Emulador, é mostrada a imagem da plataforma inercial na tela do computador e a atitude da plataforma, mostrada na figura, pode ser alterada através do teclado do computador. Nesse modo, todos os movimentos controlados pelo teclado são convertidos para o formato de comunicação da plataforma inercial e enviados pela porta serial do computador, emulando dessa forma o funcionamento da plataforma. Nesse modo o software responde a comandos enviados pela porta serial como se fosse a própria plataforma. Com esse software é possível armazenar os dados da plataforma e usar um microcomputador para enviar esses dados como se fosse a própria plataforma. Além disso, pode ser útil como ferramenta de aquisição desses dados para exportá-los para o formato texto, a partir do qual podem ser desenvolvidos estudos mais profundos, sem a necessidade da presença física do equipamento. Esse software é uma ferramenta que pode ser aprimorada para receber dados de outros sensores e se comunicar com atuadores, para que sejam desenvolvidos filtros preditivos e sistemas de controle que permitam o controle de veículos autônomos ou que necessitem fazer sempre o mesmo trajeto.

Esta trabalho consiste no desenvolvimento e teste em simulação de um software para integrar o GPS (Sistema de Posicionamento Global por Satélite) a um SNI (Sistema de Navegação Inercial). A fim de integrar os dois sistemas foi utilizado um Filtro Kalman Estendido (FKE), e o GPS foi considerado como um aucílio externo para o SNI. O filtro de Kalman foi utilizado para estimar os erros presentes na informação fornecida pelo SNI.

Este trabalho trata do desenvolvimento de um acelerômetro opto-mecânico empregando como elementos sensores grades de Bragg a fibras ópticas. É abordado o desenvolvimento da mecânica do sistema, além de sua óptica e eletrônica, necessários para a leitura dos sensores. No aspecto mecânico são apresentadas duas propostas de topologias para o módulo sensor, uma das quais é adotada como solução do problema em pauta. Essa topologia é modelada por meio do software MatLab, determinando-se suas dimensões em função das características desejadas. A partir desse modelamento foi usinado um demonstrador de conceitos, utilizado para os ensaios subseqüentes. É apresentada também uma caixa de integração para o sistema, capaz de portar o módulo sensor, a óptica de apoio e a eletrônica de processamento de sinais, na forma de um laboratório portátil. No aspecto óptico são apresentadas duas fontes ópticas e quatro sistemas interrogadores embarcáveis, visando um produto modular, independente de equipamentos comerciais para sua leitura. São apresentadas metodologias para a determinação dos pares otimizados de grades de Bragg e para a predição da resposta característica do sistema. No aspecto eletrônico são apresentados quatro circuitos para tornar o sistema embarcável, que são a fonte de energia, a fonte óptica, os circuitos de transimpedância e conversão análogo-digital e o circuito de controle digital. Como resultados os quatro sistemas interrogadores propostos são caracterizados para a medida de acelerações, e são realizados outros ensaios para determinar possíveis fontes de erro do sistema. Nas conclusões, além da comparação dos resultados obtidos com as características de um acelerômetro por realimentação de força, tipicamente empregado em aplicações inerciais, são propostos vários trabalhos futuros, assim como aplicações duais para a óptica e eletrônica desenvolvidas neste trabalho.

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.