ESTACAO DE CONTROLE EM SOLO COM FUNCIONALIDADES DE VOOMULTIPLO PARA VANTS

Alberto Torres Angonese, Paulo Fernando Ferreira Rosa∗

∗Instituto Militar de EngenhariaPc General Tiburcio, 80

Rio de Janeiro, RJ, Brasil

Email: angonesealberto@gmail.com, rpaulo@ime.eb.br

Abstract— This work describes the development of a computational system for a GCS (Ground ControlStation) able to control the flight and navigation of multiple UAVs (Unmaned Aerial Vehicles), implementingfeatures for formation flying and obstacle avoidance. The system was structured in two modules. The missionplanning, which consist of a formation planning and a path planning tool, and the multiple fligth control system.We built a simulation environment for testing and validation of the proposed methodology for implementingmultiple flight. With the simulator, it is possible to perform a mission planning and evaluate the potentialfield parameter settings, by plotting graphical flight before a mission. Another feature of this environment isthe integration of the GCS, with the flight simulator X-Plane R©, which communicates through the open sourceinterface (X-Pi - Interface Xplane), deploying multiple flight in a very close to a real situation.

Keywords— UAV, Ground Control Station, Mission Planning, Multiple Flight, Simulation

Resumo— O presente trabalho descreve o desenvolvimento de um sistema computacional para uma ECS(Estacao de Controle em Solo) capaz de controlar o voo e a navegacao de multiplos VANTs (Veıculos AereosNao Tripulados), implementando funcionalidades de voo em formacao e desvio de VANTs em rota de colisao. Osistema foi estruturado em dois modulos: o planejamento de missao e o modulo para controle do voo multiplo.Foi estruturado um ambiente de simulacao, para os testes e validacao da metodologia proposta para a implemen-tacao do voo multiplo. Com o simulador desenvolvido e possıvel realizar um planejamento de missao e avaliar osparametros do campo potencial, atraves da plotagem grafica do voo antes de uma missao. Outra funcionalidadedeste ambiente e a integracao da ECS, com o simulador de voo X-Plane R©, que se comunica, atraves da interfacede codigo aberto (X-Pi - XPlane Interface),implantando o voo multiplo em um ambiente muito proximo ao deuma situacao real.

Palavras-chave— VANT, Estacao de Controle em Solo, Planejamento de Missao, Voo Multiplo, Simulacao

1 Introducao

Recentemente, VANTs (Veıculos Aereos Nao Tri-pulados), tem sido constante utilizados, tanto emaplicacoes civis quanto militares, em geral, em si-tuacoes inviaveis ou perigosas para atuacao hu-mana. Em muitos destes cenarios fica evidente aimportancia da utilizacao de multiplas aeronaves,que podem trabalhar cooperativamente para ummelhor cumprimento das missoes. Um exemplodisso, pode ser observado na operacao de moni-toramento do desastre ocorrido na regiao serranado Rio de Janeiro em 2010, realizada pelo pro-jeto VANT-IME (Neto et al., 2011). No desastreambiental, milhares de pessoas foram soterradaspelos desabamentos ocorridos. A comparacao dasfotografias aereas retiradas pelo equipamento doVANT logo apos o desabamento, comparadas comfotos do Google Maps (figura 1), auxiliaram noprocesso de identificacao dos possıveis locais comvıtimas e agilizaram o processo de busca e salva-mento. Na figura 1a retrata o local antes do desa-bamento, enquanto a figura 1b, exibe as mesmasimagens sobrepostas em fotos retiradas pelo equi-pamento do VANT-IME para comparacao e iden-tificacao dos locais. Neste cenario, o tempo e umfator crıtico para o resgate de vıtimas com vida.A utilizacao de multiplas aeronaves trabalhando

cooperativamente, pode auxiliar na reducao dessetempo aumentando as chances de sobrevivenciadas vıtimas soterradas.

Das pesquisas realizadas pelo projeto VANT-IME, destacamos a de (Pinheiro, 2006) que mode-lou um sistema para uma frota de Dirigıveis Auto-nomos nao Tripulados (DANTs), por meio de tec-nicas de Engenharia de Sistemas Multi Agentes(MultiAgent System Engineering - MaSE), che-gando a um modelo no qual os componentes dafrota sao mapeados em modelos de agentes. Ode (Maroquio, 2007), que implementou um simu-lador para Dirigıveis Autonomos nao Tripulados(DANTs), como continuidade do trabalho de Pi-nheiro e o de (Vidal, 2007), que implementou umsistema de navegacao baseado em visao para diri-gıveis autonomos.

Os trabalhos apresentados por (Garcia andBarnes, 2010),(Barnes et al., 2007) e (Paul et al.,2008), abordaram a problematica do voo multiplocom base em campos potenciais e utilizaram ambi-entes de simulacao para validacao e testes das so-lucoes propostas. Em (Garcia and Barnes, 2010)foi proposto o desenvolvimento de um cluster com-posto por 7 maquinas, para conexao do simuladorde voo X-lane R© (Meyer, 2011) e o Matlab/Simu-link, compondo um ambiente de alto desempenhografico para simulacao de multiplas aeronaves.

(a) Imagens do Google Maps antes do desabamento

(b) Imagens do mesmo local, capturadas logo apos odesastre.

Figura 1: Operacao Regiao Serrana - RJ VANT-IME. Fonte:(Neto et al., 2011)

O controle e a formacao de voo, abordados notrabalho de (Garcia and Barnes, 2010) basearam-se em (Barnes et al., 2007) que, atraves da utili-zacao de funcoes potenciais, descreve o controlede enxames de veıculos. O trabalho de (Paulet al., 2008), descreve uma abordagem de forma-cao baseada em um lıder virtual, em que VANTsdenominados seguidores sao atraıdos para a areade influencia do VANT virtual, denominado lıdere acompanham a sua movimentacao ao longo deuma trajetoria.

Neste trabalho, apresentamos o desenvolvi-mento de uma solucao de software de uma ECS(Estacao de Controle em Solo) capaz de controlarmultiplas aeronaves nao tripuladas em voo em for-macao. Uma metodologia baseada em campos po-tenciais adaptada de (Goodrich, 2002), foi desen-volvida para o tratamento do voo multiplo. Paratestes e validacao dos metodos propostos para im-plementacao das funcionalidades de voo multiplofoi estruturado um ambiente de simulacao com-posto por dois modulos. Um modulo de plane-jamento de missao e um modulo de controle dovoo multiplo. O modulo de planejamento de mis-sao grafico foi baseado na API NASA World Wind(Hogan, 2011), que forneceu ferramentas para ma-nipulacao e visualizacao de dados geograficos 3D.Apos o planejamento da missao, o simulador per-mite uma analise da situacao do voo atraves davisualizacao das trajetorias simuladas. Com essa

funcao e possıvel rever os parametros do campopotencial e reavaliar um planejamento de voo an-tes de uma missao. Outra funcionalidade da ECSe a integracao com o simulador de voo X-Plane R©

(Meyer, 2011), que se comunica atraves da inter-face de codigo aberto X-Pi (XPlane Interface),proposta por (Cantoni, 2010), implementando ovoo multiplo em um ambiente proximo ao real.

Alem da introducao, este trabalho esta orga-nizado em mais 3 secoes. A secao 2, detalha osmodulos da aplicacao desenvolvida neste trabalhoe na secao 3, sao descritos os experimentos e re-sultados obtidos dos testes efetuados. Por fim nasecao 4, concluımos o trabalho e apresentamos aspropostas de trabalhos futuros.

2 Modulos da ECS

A aplicacao da ECS e composta por dois modulos:o de planejamento de missao e o de controle do voomultiplo. O modulo de planejamento da missao edividido em outros dois sub-modulos, o de plane-jamento de formacao e de trajetoria, que foramimplementados com base na API - Nasa WorldWind (Hogan, 2011). A World Wind e uma APIpara aplicacoes JAVA que disponibiliza uma seriede componentes para a manipulacao e tratamentode informacoes geograficas utilizando mapas 3D.A partir desta API foi possıvel desenvolver umaferramenta grafica de planejamento de trajetoriase de formacao de voo utilizando mapas. O fluxo-grama da figura 2, apresenta uma visao detalhadados modulos do planejamento de missao.

Figura 2: Fluxograma do Planejamento da Missao

Na fase A1 do fluxograma da figura 2, as co-ordenadas da formacao sao obtidas graficamenteutilizando o modulo de planejamento da forma-cao. A figura 3, demonstra um exemplo de forma-cao triangular, que neste trabalho denominamosde formacao delta, em que cada marcador defi-nido no mapa correspondera a uma aeronave ins-tanciada no simulador. O painel a esquerda daimagem, alterna entre o modulo de formacao eplanejamento de trajetoria, que correspondem asetapas 2 e 3 do fluxograma. Na fase B1, as co-ordenadas dos waypoints sao definidas atraves da

Figura 3: Modulo grafico de planejamento da formacao (etapas A1 e A2 do fluxograma)

ferramenta de planejamento de trajetoria de voo.Neste modulo, as coordenadas dos waypoints parao plano de voo, tambem sao obtidas graficamentepela plotagem dos marcadores no mapa, conformeilustrado na figura 6. Na fase A2, ainda no flu-xograma do planejamento da missao ilustrado nafigura 2, e definido o centroide da formacao a par-tir das coordenadas (latitude e longitude) de cadaaeronave definida na etapa anterior A1. O cal-culo das coordenadas do centroide pode ser obtidopor:

(xc, yc) =

nv∑i=1

(lati, loni)/nv

onde, xc, yc sao as coordenadas do centroide,nv e o numero total de VANTs e lati e loni sao asrespectivas latitudes e longitudes de cada VANTi, obtidas da fase A1 descrita no fluxograma doplanejamento da missao.

Uma vez definida a formacao (fase A1), cal-culado o centroide (fase A2) e definidas as coor-denadas dos waypoints (fase B1), o modulo deplanejamento da missao, expande e rotaciona ascoordenadas de formacao para cada waypoint doplanejamento de trajetoria. (fases A3 e A4 do flu-xograma da figura 2). Esse processo e realizadopelos seguintes calculos:

Wix = Watualx + (dxc cos(φ) + dyc sin(φ))

Wiy = Watualy + (−dxc sin(φ) + dyc cos(φ))

onde, dxc e a distancia do centroide para a coor-denada de latitude do VANT e dyc e a distancia docentroide para a coordenada de longitude, obtidosna etapa A1 do fluxograma. φ e o angulo entreo waypoint atual (Watual) e o proximo waypoint(Wprox) e (Wix,Wiy) correspondem as coorde-nadas dos waypoints individuais de cada VANTda formacao, expandidos e rotacionados em rela-cao ao proximo waypoint. Isso significa, que paracada waypoint, sao criados waypoints virtuais paracada VANT, com a configuracao da formacao de-finida, e para os quais as aeronaves sao atraıdas,

proporcionado o voo em formacao pela trajeto-ria. Apos o planejamento da missao, e iniciado omodulo de controle do voo multiplo, conforme aetapa 3 do fluxograma da figura 4.

Figura 4: Fluxograma do modulo de controle dovoo multiplo

Para o calculo do campo potencial atrativo(fase C1), consideramos que [xG, yG] represen-tam as coordenadas do ponto objetivo (G doingles Goal) e que [xV , yV ] representam a posi-cao do VANT, r o raio, s a distancia que de-fine a area de influencia e α a forca de atra-cao. A partir destes, calculamos a distanciad =

√(xG − xV )2 + (yG − yV )2 entre o VANT e o

waypoint e a direcao θ = tan−1(

yG−yV

xG−xV

). Apos

isso, ∇xG e ∇yG sao calculados conforme as re-gras:

1. Se d < r entao ∇xG = ∇yG = 0

2. Se d > r + s entao∇xG = αs cos(θ) e ∇yG = αs sin(θ)

3. Se r ≤ d ≤ r + s entao∇xG = αr cos(θ) e ∇yG = αr sin(θ)

Na fase C2 e calculado o campo repulsivo em queconsideramos, [xO, yO] representando as coorde-

nados do obstaculo1, [xV , yV ] a posicao do VANT,R o raio do obstaculo, S a distancia que define aarea de influencia repulsiva e β a forca repulsiva.Da mesma forma que na fase C1 d e θ sao cal-culados e a partir destes, ∇xO e ∇yO podem sercalculados pelas regras:

1. Se d < r entao∇xO = −βs cos(θ) e ∇yO = −βs sin(θ)

2. Se r ≤ d ≤ r + s entao∇xO = −β(R+ S − d) cos(θ) e∇yO = −β(R+ S − d) sin(θ)

3. Se d > r + s entao∇xO = ∇yO = 0

Os gradientes∇xG e∇yG gerados pelo campoatrativo calculado na fase C1 e ∇xO e ∇yO pro-venientes do campo repulsivo calculado na faseC2, sao combinados na fase C3 para o calculo docampo potencial total, atraindo os VANTs paraos waypoints e repelindo-os entre si ao longo datrajetoria. O campo potencial total e calculadode acordo com as equacoes:

∇xtotal = ∇xO +∇xG∇ytotal = ∇yO +∇yG

Na fase C4 do fluxograma sao determinados avelocidade v =

√∇x2 +∇y2 e o angulo ψ =

tan −1(∇y/∇x) do vetor de forca do campo po-tencial. Na fase C5 do fluxograma, as coordenadasde latitude e longitude da cada aeronave sao atu-alizadas a cada passo de tempo. Sao calculadas,entao, a distancia e a orientacao de navegacao,das posicoes atualizadas de cada aeronave ate seuwaypoint individual. Na fase C6 e verificado se owaypoint atual (Watual) corresponde ao ultimowaypoint da lista definida na fase B1 da etapa 2do fluxograma do planejamento de missao. Casonao seja o ultimo, as fases C1 ate C5 sao recalcu-ladas ate que seja verificado o ultimo waypoint datrajetoria, quando a missao sera encerrada.

3 Experimentos e Resultados

Nesta secao, descrevemos a utilizacao da ECS, si-mulando o voo de multiplas aeronaves para a va-lidacao dos algoritmos de campo potencial do mo-dulo de controle de voo multiplo e para avaliacaodo comportamento das aeronaves em formacao devoo. Para a definicao das coordenadas dos way-points e da posicao das aeronaves, foi utilizadouma representacao em pontos no plano cartesianocom origem no ponto (x, y) = (0, 0).

3.1 Experimento 1

O grafico da figura 5, representa uma trajetoriade voo simulada em formacao delta. Nesta forma-cao os pontos das coordenadas iniciais das aero-naves foram definidos como (0,0) para o VANT 1,

1Em nossa abordagem consideramos os VANts comoobstaculos entre si

(-1,-1) para o VANT 2 e (1,-1) para o VANT 3,estabelecendo um formato de coordenadas trian-gular, (delta). O experimento 1, demonstrou al-

Figura 5: Simulacao de voo em formacao delta:Os VANTs 1, 2 e 3 estao representados pelas tra-jetoria em vermelho, verde e azul respectivamente.Os waypoints PO1, PO2 e PO3 sao representadospelo quadrados rosa, verde e amarelo. Os cırculosindicam comportamentos indesejaveis das aerona-ves.

guns comportamentos que sao impossıveis se con-siderarmos a dinamica de voo de uma aeronavede asa fixa. O primeiro problema detectado, foiquando um VANT ultrapassa o waypoint de des-tino e retorna, (“voa para tras”) para identifica-lo. Outro problema, foi quando um VANT chegaprimeiro no waypoint de destino e permanece “pa-rado” esperando que as outras aeronaves cheguemnos waypoints, para entao, prosseguir com o voo.Tais comportamentos estao indicados pelos cırcu-los ilustrados no grafico da figura 5. A solucao des-ses problemas, consistiu na implementacao de ummetodo de velocidade proporcional em que cadaVANT passa a consumir uma lista de waypointsindividualmente. Assim que cada VANT detectaseu waypoint, passa para o proximo sem a neces-sidade de aguardar pelos outros VANTs. O para-metro s do campo atrativo, passa a ser alteradodinamicamente durante a simulacao, pelo recebi-mento dos valores de Smax, Smed ou Smin, quecontrolam a velocidade maxima, media e mınimade cada VANT.

O metodo para controle das velocidades combase na distancia relativa entre as aeronaves e nadistancia de cada VANT ate o ultimo waypoint datrajetoria, consiste nos seguintes passos:

1. Calculo da distancia de cada VANT ate oWaypoint ;

2. Verificacao da distancia relativa entre as aero-naves da formacao. Se a distancia for menorque o limite definido, e atribuido s = Smaxpara o VANT mais afastado do Waypoint au-mentando sua velocidade e s = Smin paraos VANTs mais proximos do Waypoint, dimi-nuindo suas velocidades. Quando os VANTsestao dentro da distancia limite e atribuidos = Smed, o que mantem os VANTs em ve-locidade cruzeiro.

Figura 6: Planejamento de Missao: Definicao da trajetoria de voo para o X-Plane

3.2 Experimento 2

Nas simulacoes representadas nos graficos das fi-guras, 7 e 8 comparamos a utilizacao do metodode velocidade proporcional para a manutencao dovoo em formacao delta, ao longo de toda a trajeto-ria planejada. No grafico 7 e possıvel observar quea formacao vai se desfazendo ao longo da trajeto-ria de voo, enquanto que no grafico 8 a formacaoe retomada apos a curva mais acentuada.

Figura 7: Simulacao de voo em formacao deltasem velocidade proporcional.

Figura 8: Simulacao de voo em formacao deltacom velocidade proporcional.

Conforme a legenda descrita no canto supe-rior direito dos graficos, os VANTs 1, 2 e 3 estaorepresentados pelos triangulos em vermelho, azule verde, respectivamente e os waypoints 1, 2 e 3dos VANTs estao representados pelos quadradosem vermelho azul e verde, nesta ordem.

3.3 Experimento 3

As figuras 6, 9, 10 e 11 representam todas as fa-ses de execucao da ECS, desde o planejamento damissao ate o controle da navegacao de duas aero-naves por uma trajetoria planejada. As aeronavesutilizadas neste teste de voo sao do modelo Ces-sna Skyhawk, modelado no ambiente do simula-dor X-Plane R©. Em nosso trabalho, todos os ex-perimentos consideraram uma altitude constantede voo de 2000 pes, simplificando os metodos im-plementados para uma abordagem 2D. A figura 6demonstra o planejamento da trajetoria e a figura9 a trajetoria simulada antes do voo. A figura 10ilustra as aeronaves em formacao de voo e por fimno mapa da figura 11 e demonstrado o resultadoda simulacao do voo no ambiente do X-Plane R©.

Figura 9: Grafico gerado antes da simulacao:VANT 1 em vermelho e VANT 2 em azul

Figura 10: Aeronaves Cessna 172 Skyhawk, vo-oando em formacao no ambiente simulado doXPlane R©.

Figura 11: Mapa resultante da simulacao de voono X-Plane R©: VANT 1 em laranja e VANT 2 empreto. Sao identificados pelos numeros 102 e 104respectivamente, que correspondem ao ultimo oc-teto do IP das aeronaves.

4 Consideracoes finais e trabalhos futuros

Neste trabalho, apresentamos o desenvolvimentodo software para uma ECS capaz de controlar mul-tiplas aeronaves nao tripuladas em voo em forma-cao. Foi estruturado um ambiente de simulacaobaseado no simulador de voo X-Plane R©, atravesdo qual foram realizados experimentos que permi-tiram validar os metodos propostos para o controlede voo multiplo. A integracao com o X-lane R©, de-monstrou o funcionamento completo da ECS parao controle de voo de multiplas aeronaves nao tri-puladas em ambientes proximos aos reais.

A solucao de software da ECS apresentadaneste trabalho, se mostrou pratica e funcional-mente completa, porem se configura como umaproposta inicial na qual muitas melhorias podemser realizadas, expandindo suas funcionalidades eaplicacoes. Como exemplo, pode ser implemen-tado um controle inteligente de navegacao, emque as aeronaves poderao cooperar entre si paraa realizacao de diferentes missoes. Outro desen-volvimento seria descentralizar o sistema da ECS.Nesta abordagem o sistema nao funcionaria maisem uma estacao em solo e sim embarcado nas ae-ronaves. Nesta configuracao, os VANTs passama se comportar como agentes e a tomar decisoesde navegacao e cumprimento da missao baseadosem um planejamento inicial. Alem destas suges-toes, outra continuacao logica deste trabalho e a

implementacao de um hardware de piloto auto-matico, para a expansao da utilizacao da ECS nocontrole de aeronaves reais. A adaptacao da ECSatual para esta finalidade se mostra bastante via-vel, uma vez que o metodo utilizado demonstrouser robusto e com um baixo consumo computaci-onal, sendo favoravel para solucoes embarcadas.

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