Arquitecturas para Navegação Inercial/GPS com Aplicação a Veículos Autónomos

171 Pages·2009·12.53 MB·Portuguese

UNIVERSIDADE TÉCNICA DE LISBOA
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO
Arquitecturas para Navegação Inercial/GPS com
Aplicação a Veículos Autónomos
Bruno Miguel Simões Carvalho Cardeira
(Licenciado)
Dissertação para a obtenção do Grau de Mestre
em Engenharia Electrotécnica e de Computadores
Orientador: Doutor Carlos Jorge Ferreira Silvestre
Co-Orientador: Doutor Paulo Jorge Coelho Ramalho Oliveira
Júri:
Presidente: Doutor Fernando Duarte Nunes
Vogais: Doutor Jorge Manuel Miranda Dias
Doutor Carlos Jorge Ferreira Silvestre
Doutor Paulo Jorge Coelho Ramalho Oliveira
Fevereiro de 2009

Agradecimentos
O presente relatório sumariza um trabalho que se estendeu ao longo de cerca de
dois anos, tendo nesse período, contado com a ajuda e amizade de diversas pessoas
às quais gostaria de agradecer. As primeiras palavras dirigem-se para os Professores
Carlos Silvestre e Paulo Oliveira cuja inspiração originou este trabalho, pelas importantes
contribuições e pelo apoio e incentivo continuado.
Agradeço também aos colegas e amigos do DSOR, Rita Cunha, Manuel Rufino,
Luís Sebastião, João Alves, Alex Peñas, André Oliveira, Pedro Gomes, Bruno Guerreiro,
Pedro Serra, pela disponibilidade e ajuda prestadas. Uma palavra de agradecimento é
também devida ao colega Pedro Baptista pela sua contribuição neste trabalho.
Estendo o presente agradecimento a todos os amigos que por proporcionarem bons
momentos de descontratação e boa disposição, que são essenciais nos momentos de maior
tensão, contribuíram para a concretização deste esforço. Uma palavra especial para o
amigo e colega do DSOR José Vasconcelos, cujo apoio e colaboração em alturas mais
críticas do trabalho foi bastante importante.
Não posso deixar de agradecer aos meus pais e familiares por terem respeitado
o meu trabalho, tolerado ausências forçadas em momentos importantes e telefonemas
esquecidos, para eles, muito obrigado!
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Resumo
Esta tese aborda o desenvolvimento e integração de um sistema de navegação iner-
cial para a determinação da posição e orientação de um veículo autónomo recorrendo a
um receptor de Global Positioning System (GPS) e a conjuntos de acelerómetros, mag-
netómetros e giroscópios tridimensionais. No presente trabalho, recorre-se a técnicas de
filtragem complementar para implementar um sistema de navegação com estimativa de
posição parametrizada em coordenadas do referencial da Terra, estimativa de velocidade
parametrizada no referencial do Corpo e estimativa de atitude descrita em ângulos de
Euler. A filtragem complementar permite abordar explicitamente o problema da fusão
de dados com origem nos sensores instalados a bordo da plataforma, cuja informação se
encontra em regiões complementares do espectro de frequência. Algumas das caracterís-
ticas especiais desta metodologia incluem a estimação e compensação de polarizações dos
sensores inerciais. Um dispositivo auxiliar para determinação da orientação, designado
por Estimador Magneto-Pendular é apresentado e descrito em detalhe. É esboçada a
síntese de filtros complementares, multi-ritmo, com propriedades de estabilidade e de de-
sempenho, para a resolução do problema de determinação da posição e da orientação. Os
parâmetros dos filtros propostos são desenhados com recurso a critérios de optimalidade,
tendo em conta a caracterização dos sensores disponível, que poderá ser estocástica ou
no domínio da frequência. É ainda apresentada e discutida de forma breve uma trans-
formação não linear com aplicação à análise de estabilidade e de desempenho dos filtros
complementares de posição e atitude. Formulados em tempo discreto, os filtros com-
plementares de atitude e posição, permitem uma implementação prática recorrendo a
hardware de processamento digital convencional, preservando a validade das proprieda-
des de estabilidade e desempenho.
Descreve-se uma arquitectura de hardware de tempo real para a implementação
do sistema navegação e discutem-se questões de integração, tanto de índole electromag-
nética como de índole mecânica, que surgem da interacção entre os diferentes módu-
los. Apresentam-se sucintamente os sistemas integrados a bordo bem como a consola de
terra desenvolvidos a partir de módulos Commercial-Off-The-Shelf (COTS) e de hard-
ware/software especificamente concebidos para a presente aplicação.
Finalmente, o desempenho do sistema de navegação bem como a sua instalação são
avaliadas em simulação e testes de campo recorrendo ao catamaran DELFIMx, desenvol-
vido no pólo de Lisboa do Instituto de Sistemas e Robótica.
Palavras-Chave: Sistema de Navegação, Filtragem Complementar, Sistemas de
Navegação Inercial, Arquitecturas de Sistemas de Tempo Real, Veículos Autónomos.
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Abstract
This thesis addresses the development and integration of a strapdown navigation
systemtodeterminethepositionandattitudeofunmannedvehicles,usingaccelerometers,
magnetometers and rate gyros triads aided by Global Positioning System (GPS) measu-
rements. The current work resorts to Complementary Filtering techniques to implement
the navigation system developed on Earth frame coordinates for the position estimation,
with the velocity estimated in the body frame and with the attitude described using
Euler angles. Complementary filters explicitly tackle the problem of merging information
provided by the vehicle sensor suite over distinct, yet complementary frequency regions.
Special features include bias estimation and removal in inertial sensors. An attitude ai-
ding device, referred to as Magneto-Pendular Sensor, is implemented and the synthesis
of the multirate complementary filters is outlined. Stability and performance properties
of the proposed filters are derived to solve the position and attitude estimation problem.
The proposed filters parameters are synthesized based on optimality results, regarding
the available sensor suite characteristics, that can be stochastic or frequency based. It
is also presented and briefly discussed a nonlinear transformation that finds application
in the stability and performance analysis of the position and attitude complementary
filters. Formulated in discrete-time, the position and attitude complementary filters al-
low for practical implementation without requiring high performance signal processing
hardware and maintaining all their stability and performance properties.
The hardware architecture for the implementation of the real-time navigation sys-
tem is presented and the different hardware modules are described. Integration is-
sues, both electromagnetic and mechanical, that arise from the interaction of diffe-
rent systems are also addressed. The on-board systems and ground station design
made from Commercial-Off-The-Shelf (COTS) sub-systems and custom developed hard-
ware/software modules are briefly presented.
Finally, the overall system performance is evaluated both in simulation and in sea
trialsusingtheDELFIMxcatamarandevelopedattheInstituteforSystemsandRobotics
- Lisbon.
Keywords: Inertial Navigation Systems, Complementary Filters, Strapdown Sys-
tems, Inertial Sensors, Avionic Systems, Autonomous Vehicles.
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vi
Conteúdo
Agradecimentos i
Resumo iii
Abstract v
Conteúdo vii
Lista de Figuras xi
Lista de Tabelas xv
Nomenclatura xvii
1 Introdução 1
1.1 Veículos Autónomos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Características Gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 Estrutura de um Veículo Autónomo . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.3 Veículos Marinhos Autónomos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.4 Veículos Aéreos Autónomos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.5 Veículos Terrestres Autónomos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.6 Aplicações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2 Objectivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3 Contribuições . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4 Organização da Tese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 Representação da Orientação e Referenciais de Navegação 16
2.1 Representação da Orientação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1.1 Matriz de Rotação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1.2 Ângulos de Euler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.3 Vector de Rotação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1.4 Quaterniões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2 Definição dos Referenciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.1 Referencial Inercial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.2 Referencial da Terra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.3 Referencial Geográfico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.4 Referencial Geocêntrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
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viii CONTEÚDO
2.2.5 Referencial do Plano Tangente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.6 Referencial do Corpo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3 A Forma da Terra e Modelo da Gravidade . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.1 Campo Gravitacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.2 Campo Gravítico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.3 O Geóide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.4 Elipsóide WGS84 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.5 Modelo Gravítico da Terra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3 Fundamentos de Navegação Terrestre 34
3.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2 Navegação Inercial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2.2 Sensores Inerciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.3 Tipos de Plataformas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3 Navegação por Satélite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3.2 Global Positioning System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.3 GLONASS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3.4 Galileo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4 Campo Magnético Terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4.1 Magnetómetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4.2 Estimador de Atitude Magneto-Pendular . . . . . . . . . . . . . . 49
4 Arquitectura Proposta para um Catamaran 52
4.1 Descrição Geral do Veículo e da Arquitectura . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2 Computador de Bordo Distribuído . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2.1 Arquitectura de Comunicações Distribuída - CAN Bus . . . . . . 54
4.2.2 Nós da Rede CAN Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.3 Monitorização, Transformação e Distribuição de Energia . . . . . . . . . 59
4.4 Actuadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.5 Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.5.1 Unidade de Medição Inercial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.5.2 Tecnologia MEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.5.3 Magnetómetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5 Filtro de Navegação 68
5.1 Introdução e Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.2 Filtro Complementar de Atitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.3 Filtro de Posição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.4 Implementação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.4.1 Estimador de Atitude Magneto-Pendular . . . . . . . . . . . . . . 82
5.4.2 Acoplamento do Filtro Complementar . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.4.3 Filtragem Multi-Ritmo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83