Sistema de comunicação e controlo de uma espoleta

eletrónica

David Manuel Gonçalves de Campos

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Eletrotécnica e de Computadores

Orientadores: Professor Doutor António Carlos de Campos Simões Baptista

Professor Doutor Pedro Nuno Mendonça dos Santos

Júri

Presidente: Professor Doutor Gonçalo Nuno Gomes Tavares

Orientador: Professor Doutor António Carlos de Campos Simões Baptista

Vogal: Professora Doutora Maria João Ramos Marques Coelho Carrilho do Rosário

Novembro de 2015

ii

iii

Agradecimentos

Finalizada esta etapa tão importante na minha vida, quero deixar uma palavra de

agradecimento a todos aqueles que, de uma forma ou de outra, contribuíram para a realização deste

trabalho e para que conseguisse alcançar este objetivo tão desejado. Assim, gostaria de agradecer:

Aos meus orientadores, Professor Doutor António Baptista e Professor Doutor Pedro

Santos, pela oportunidade que me foi dada, pela orientação, pelos conselhos e pelo apoio

prestado ao longo da realização deste trabalho.

Aos meus camaradas e amigos do curso de Transmissões, pelos seis anos de convívio,

pelos momentos vividos, pelos conselhos e pela amizade.

Aos meus verdadeiros amigos, por tudo aquilo que vocês são, pelo ânimo, pela

motivação e pelas aventuras vividas ao longo de todos estes anos.

À minha família, pelas palavras de apoio, de ânimo e de força durante este meu percurso.

E que, apesar de estarem longe, estão sempre perto.

Aos meus irmãos, Alexandre e Catarina, por me darem motivos para me orgulhar deles.

E, por último, em especial, aos meus pais, a quem devo tudo, pelo apoio incondicional em

todas as minhas decisões, pelo carinho, pela educação e pelos sábios conselhos que

sempre me deram.

Este trabalho foi desenvolvido no âmbito do projeto “FIREND - Projétil de artilharia para o

combate de incêndios” parcialmente suportado pelo Centro de Investigação da Academia Militar /

Estado Maior do Exército e pela Direção-Geral de Recursos da Defesa Nacional / Ministério da

Defesa Nacional.

iv

v

Resumo

Os recursos naturais do nosso país são afetados, anualmente, pelos incêndios florestais. A

devastação das florestas causa graves prejuízos na economia nacional. Nos dias que correm, o

combate aos incêndios florestais, em locais de difícil acesso, é condicionado pela incapacidade de

mobilizar os meios necessários para o efeito.

A fim de ultrapassar este obstáculo, o projeto FIREND® está a desenvolver um projétil de

artilharia para ser utilizado no combate a fogos florestais. Este projétil terá, na sua carga, um líquido

retardante ou pó químico que será libertado a uma altura que permita maximizar os seus efeitos.

Como resultado do desenvolvimento deste projeto, o projétil deve libertar a carga entre os 7 e 20

metros do solo. Conhecida a trajetória do projétil, o tempo de voo é um parâmetro calculável,

segundo as tabelas de tiro utilizadas pela Artilharia do Exército Português.

Esta dissertação surge no seguimento do desenvolvimento do FIREND®. Desta forma,

projetou-se um sistema de comunicação e controlo de uma espoleta eletrónica. Este sistema é

constituído por um microcontrolador associado a um módulo Bluetooth. Este sistema permite a

interface com o operador do obus que é responsável pela configuração do tempo de voo, de acordo

com as especificações do FIREND®. A contagem do tempo inicia-se aquando do disparo do obus,

com o sinal de saída de um acelerómetro que deteta o início do movimento do obus.

Neste sentido, para a aumentar a sua eficiência, o sistema de controlo tem a sensibilidade de

1 milissegundo para a contagem do tempo. No final da contagem do tempo, este sistema é

responsável pelo envio de um sinal para a ativação da espoleta.

PALAVRA-CHAVE: Sistema de comunicação e controlo, projétil de combate a incêndios,

espoleta eletrónica, projétil de artilharia.

vi

Abstract

The natural resources of our country are affected each year by forest fires. The devastation of

forests causes severe losses in the national economy. These days, the forest firefighting in remote

places is conditioned by the inability to mobilize the necessary resources for this purpose.

In order to overcome this obstacle, the FIREND® project is developing an artillery shell to be

used in forest firefighting. This projectile will have in its filler, a flame retardant liquid or a chemical

powder that will be released at a certain height to maximize its effects. As a result of the development

of this project, the projectile must release its load between 7 and 20 meters above the ground.

Knowing the trajectory of the projectile, the flight time is a calculable parameter, according to the firing

tables used by the Portuguese Army Artillery.

This dissertation follows the development of FIREND®. Thus it was projected a communication

and control system for an electronic fuse. This system comprises a microcontroller associated with a

Bluetooth module. This system allows the interface with the operator of the howitzer who is

responsible for the configuration of the flight time in accordance with the specifications of FIREND®.

The counting of time starts when the projectile is fired, with the output signal of an accelerometer that

senses the beginning of the projectile movement. In order to increase the efficiency, the control

system has sensitivity of 1 millisecond for the time counting. At the end of time counting, this system is

responsible for sending a signal to the activation of the fuse.

KEYWORD: Communication and control system, firefight projectile, electronic fuse, artillery

projectile.

vii

Índice Agradecimentos ....................................................................................................................................... iii

Resumo ....................................................................................................................................................v

Abstract.................................................................................................................................................... vi

Índice de tabelas ..................................................................................................................................... ix

Índice de figuras .......................................................................................................................................x

Lista de abreviaturas .............................................................................................................................. xii

Capítulo 1 ................................................................................................................................................ 1

1 Introdução ........................................................................................................................................ 1

1.1 Motivação ...................................................................................................................................... 1

1.2 Objetivos ....................................................................................................................................... 2

1.3 Estado da arte ............................................................................................................................... 2

1.3.1 Evolução do Projeto FIREND® ............................................................................................ 2

1.3.2 Espoletas eletrónicas .......................................................................................................... 4

1.3.3 Comunicação sem fios ........................................................................................................ 6

1.4 Estrutura da dissertação ............................................................................................................... 8

Capítulo 2 ................................................................................................................................................ 9

2 Proposta de implementação do sistema de comunicação e controlo ............................................. 9

2.1 Sistema eletrónico proposto .......................................................................................................... 9

2.2 Definição dos parâmetros do projeto .......................................................................................... 10

2.3 Considerações para o sistema de comunicação e controlo ....................................................... 12

2.3.1 Diagrama de blocos .......................................................................................................... 12

2.3.2 Função dos blocos do diagrama ....................................................................................... 13

2.3.3 Análise dos componentes ................................................................................................. 14

2.4 Análise de custos ........................................................................................................................ 17

2.5 Proposta de concretização .......................................................................................................... 18

2.5.1 Ferramentas de desenvolvimento..................................................................................... 18

2.5.2 Programação ..................................................................................................................... 19

Capítulo 3 .............................................................................................................................................. 24

3 Sistema experimental .................................................................................................................... 24

3.1 Microcontrolador .......................................................................................................................... 24

viii

3.1.1 ATMEGA328 ..................................................................................................................... 24

3.2 Módulo de comunicação ............................................................................................................. 25

3.2.1 RN-41 ................................................................................................................................ 25

3.2.2 HC-06 ................................................................................................................................ 26

3.2.3 Interface de comunicação ................................................................................................. 26

3.3 Testes experimentais .................................................................................................................. 27

3.3.1 Comunicação .................................................................................................................... 29

3.3.2 Bloco de controlo .............................................................................................................. 32

Capítulo 4 .............................................................................................................................................. 37

4 Protótipo e resultados experimentais ............................................................................................ 37

4.1 Protótipo ...................................................................................................................................... 37

4.2 Resultados experimentais ........................................................................................................... 39

4.2.1 Sistema de comunicação e controlo ................................................................................. 39

4.2.2 Interação com o sistema de gestão de energia e ativação da espoleta ........................... 42

Capítulo 5 .............................................................................................................................................. 44

5 Conclusões e trabalhos futuros ..................................................................................................... 44

5.1 Conclusões .................................................................................................................................. 44

5.2 Trabalhos futuros ........................................................................................................................ 45

Referências ........................................................................................................................................... 46

Anexo A – Programação do microcontrolador ...................................................................................... 49

Anexo B – Configuração dos módulos Bluetooth .................................................................................. 53

Anexo C – Código do microcontrolador ................................................................................................ 56

Anexo D – Código para a configuração dos módulos de comunicação ............................................... 61

ix

Índice de tabelas

Tabela 1.1 - Tabela comparativa entre o Bluetooth e RFID .................................................................... 8

Tabela 2.1- Tabela comparativa dos microcontroladores considerados. ............................................. 15

Tabela 2.2 - Tabela comparativa dos componentes para a comunicação. .......................................... 16

Tabela 2.3 - Preço de cada componente. ............................................................................................. 18

x

Índice de figuras

Figura 1.1 - Evolução do projétil 105 mm [9]........................................................................................... 3

Figura 1.2- Proposta do projétil 155 mm [6]. ........................................................................................... 3

Figura 1.3 - Sistema de altimetria [6]. ..................................................................................................... 4

Figura 1.4 - Espoleta de tempo mecânica. .............................................................................................. 5

Figura 1.5 - Espoleta M762A1. ................................................................................................................ 5

Figura 1.6 - Exemplo de uma Multi-Option Fuse Artillery [15]. ............................................................... 6

Figura 2.1 - Diagrama de blocos do protótipo geral. ............................................................................. 10

Figura 2.2 - Vista em corte de uma espoleta de um projétil 155 mm [1]. ............................................. 11

Figura 2.3 - Vista em corte do local correspondente na munição 155mm [1]. ...................................... 11

Figura 2.4 - Referencial dos eixos do acelerómetro. ............................................................................ 12

Figura 2.5- Diagrama de blocos do sistema de comunicação e controlo da espoleta eletrónica. ........ 13

Figura 2.6 - Arduíno Uno. ...................................................................................................................... 19

Figura 2.7 - Sequência das tarefas a executar ..................................................................................... 20

Figura 2.8 - Fluxograma do algoritmo utilizado. .................................................................................... 23

Figura 3.1 - Esquema elétrico do ATMEGA328 [26]. ............................................................................ 24

Figura 3.2 - Esquema elétrico do RN-41 [29]. ....................................................................................... 25

Figura 3.3- Módulo Bluetooth HC-06. .................................................................................................... 26

Figura 3.4 - Montagem do RN-41 com a placa Arduíno. ...................................................................... 28

Figura 3.5 - Montagem do HC-06 com a placa Arduíno ....................................................................... 28

Figura 3.6 - Verificação da alteração do nome do módulo Bluetooth. .................................................. 29

Figura 3.7 - Autenticação. ..................................................................................................................... 30

Figura 3.8 - Configuração do tempo de voo. ......................................................................................... 30

Figura 3.9 - Cancelamento da ativação. ............................................................................................... 31

Figura 3.10 - Resultado do cancelamento da ativação. ........................................................................ 32

Figura 3.11 – Resposta do bloco de controlo ao sinal do acelerómetro. .............................................. 33

Figura 3.12 - Teste da sensibilidade da contagem do tempo. .............................................................. 34

Figura 3.13 - Precisão da contagem. .................................................................................................... 34

Figura 3.14 - Esquema elétrico do deslocador de nível. ....................................................................... 35

Figura 3.15 - Sinal de ativação. ............................................................................................................. 36

Figura 4.1 - Esquema elétrico do protótipo com o módulo HC-06. ....................................................... 37

Figura 4.2 - Esquema elétrico do protótipo com o módulo RN-41. ....................................................... 38

Figura 4.3 - Resultado para o percurso normal. ................................................................................... 40

Figura 4.4 - Falha de tiro. ...................................................................................................................... 41

Figura 4.5 - Resultado do cancelamento da ativação. .......................................................................... 42

Figura 4.6 - Interação com o sistema de gestão de energia e ativação. .............................................. 43

Figura A. 1 - Gravação do bootloader. .................................................................................................. 49

Figura A. 2 - Verificação da porta e do programador. ........................................................................... 50

Figura A. 3 - Esquema elétrico para gravação do bootloader. .............................................................. 51

xi

Figura A. 4 - Gravação do bootloader. .................................................................................................. 51

Figura A. 5 - Esquema elétrico para programação do microcontrolador. ............................................. 52

Figura B. 1 - Configuração do módulo RN-41. ...................................................................................... 53

Figura B. 2 - Configuração do módulo HC-06. ...................................................................................... 54

Figura B. 3 - Terminal de comunicação. ............................................................................................... 55

xii

Lista de abreviaturas

ADC – Conversor Analógico-Digital;

CAD – Conversão Analógico-Digital;

CPU – Central Processing Unit;

GPRS – General Packet Radio Service;

GPS – Global Positioning System;

GSM - Global System Mobile;

HC – Hexacholoroethane-Zinc (Fumo branco);

HF – High Frequency;

IDE – Integrated Development Environment;

INCF – Instituto Nacional da Conservação das Florestas;

LF – Low Frequency;

MIPS – Milhões de Instrução Por Segundo;

MOFA – Multi-Option Fuse Artillery;

PIN – Número de Identificação Pessoal;

RFID – Radio-Frequency Identification;

RTC – Real Time Clock;

SO – Sistema Operativo;

UART – Universal Asynchronous Receiver/Transmitter;

UHF – Ultra High Frequency.

1

Capítulo 1

1 Introdução

1.1 Motivação

Anualmente, os incêndios florestais são responsáveis pela devastação das florestas e

destruição de propriedades, causando graves prejuízos na economia nacional e nos recursos naturais

do nosso país. Desde as vulnerabilidades dos recursos humanos às condicionantes dos meios

aéreos e terrestres, são várias as limitações dos meios de combate aos incêndios florestais. Devido à

incapacidade de mobilizar os meios necessários e/ou adequados, os locais de difícil acesso

apresentam-se como um dos principais obstáculos para o combate aos incêndios florestais.

De acordo com o Conceito Estratégico de Defesa Nacional e no âmbito das suas Missões de

Interesse Público, o Exército Português participa na prevenção e combate aos incêndios florestais.

Os Planos Lira, Braseiro, Vulcano e Faunos são resultados de cooperações do Exército com

entidades civis, com o objetivo de combater os incêndios florestais.

Através do Plano Lira, o Exército coopera com o Serviço Nacional de Proteção Civil na defesa

das florestas contra os incêndios (ações de rescaldo, vigilância ativa e apoio logístico). Na sequência

deste Plano, o Plano Braseiro fora implementado na Brigada de Reação Rápida onde é definida a

forma como as unidades desta Brigada participam no combate aos incêndios [1].

Em 2004, através de um protocolo de cooperação entre o Exército e a Direção Geral de

Recursos Florestais, surgia o Plano Vulcano [2]. Neste Plano, o Exército Português contemplava “o

apoio à prevenção, vigilância, deteção e combate em primeira intervenção aos incêndios florestais, no

sentido de responder às solicitações da Autoridade Florestal Nacional1” [3].

Em 2014, surge o Plano Faunos. Este resulta de um protocolo entre o Exército e o Instituto da

Conservação da Natureza e das Florestas (INCF). Através deste plano, o Exército intervém no âmbito

do Plano Nacional de Defesa da Floresta Contra Incêndios do INCF. As atividades realizadas neste

âmbito compreendem a reparação de caminhos florestais, limpeza de aceiros e a abertura de faixas

para gestão de material combustível [4]. A vigilância de espaços florestais e o desenvolvimento de

ações de sensibilização junto das populações também são atividades desenvolvidas no âmbito deste

protocolo [5].

Atualmente, o Exército apenas desempenha funções no âmbito dos Planos Lira e Faunos.

Em 2005, numa parceria entre a Academia Militar e o Instituto Superior Técnico, por iniciativa

do Tenente Coronel de Artilharia Marquês de Sousa, do Professor Doutor Pedro Vilaça da Silva e do

ex-aluno da Academia Militar Francisco Lima surge o projeto FIREND® [6]. Este projeto “visa o

desenvolvimento de conceito, projeto e avaliação de funcionalidade de um novo produto, com

elevado potencial de aplicação no combate a fogos florestais”. O FIREND® é “um projétil de artilharia

1 Em 2008, a Direção Geral de Recursos Florestais extingue-se e é sucedida pela Autoridade Florestal

Nacional.

2

com um mecanismo de detonação mecânico que, pela sua natureza não explosiva, permite a sua

aplicação em tempo de guerra ou paz e ações de apoio à sociedade civil.” [7].

Com este projeto, o recurso à artilharia no combate aos incêndios florestais apresenta-se como

uma solução viável. A existência de várias unidades militares associadas ao fácil transporte e

manuseamento dos meios usados pela artilharia no lançamento desta munição oferecem rapidez no

combate aos incêndios florestais em locais de difícil acesso.

1.2 Objetivos

No seguimento do projeto FIREND®, inserido nas aplicações militares da Engenharia

Eletrotécnica e de Computadores, o objetivo desta dissertação é projetar um sistema de comunicação

e controlo de uma espoleta eletrónica. Esta espoleta eletrónica será incorporada numa munição de

artilharia utilizada para o combate de incêndios. Por questões de segurança, a espoleta é inerte, isto

é, o sistema de acionamento da abertura do projétil estará desativado aquando do seu lançamento.

Deste modo, verifica-se a necessidade de um sistema de controlo para permitir ativar esse sistema. É

importante conhecer as caraterísticas da trajetória do projétil a fim de ser possível a libertação do

líquido presente no projétil, a uma altura que maximize os efeitos da sua ação, sendo que o tempo de

voo do projétil é uma variável que pode ser calculada. Conhecido este parâmetro, é necessário um

sistema de comunicação que permita enviar essa informação para o sistema de controlo, através de

uma interface com o operador do obus de artilharia. Este sistema de comunicação, dadas as

caraterísticas do projétil, é sem fios.

Associado ao sistema de controlo, é necessário um relógio que fará a contagem do tempo de

voo. Finalizada esta contagem, o sistema de controlo é responsável pelo envio de um sinal para o

sistema de acionamento da espoleta. Este sistema de acionamento da espoleta é objeto de uma

dissertação de mestrado que está a ser desenvolvida em paralelo por uma aluna da Academia Militar

e do Instituto Superior Técnico.

1.3 Estado da arte

1.3.1 Evolução do Projeto FIREND®

Inicialmente, o protótipo do projeto FIREND® obtido no primeiro ano

baseou-se no

conhecimento adquirido pelo processo de engenharia inversa realizado numa granada de fumos de

105mm HC. Este protótipo foi alvo de vários estudos e ensaios. Na Figura 1.1, apresentam-se as

evoluções do projétil ao longo dos anos. A geometria do projétil foi alterada no segundo ano do

projeto, nomeadamente ao nível da forma da espoleta, onde esta passou a ter uma forma

semiesférica. Com esta alteração, o objetivo era aumentar a capacidade do projétil e aumentar a

eficiência da espoleta mecânica. No terceiro ano do projeto, o objetivo centrou-se na melhoria dos

3

subsistemas interiores do projétil. Ainda neste ano, realizaram-se os primeiros testes de estabilidade

de voo e de trajetória [8]. No quarto ano do projeto, a espoleta manteve a sua forma semiesférica

tendo-se acrescentado um subsistema Dummy que permite compensar aerodinamicamente o formato

do projétil mantendo as propriedades de absorção do impacto [9].

Figura 1.1 - Evolução do projétil 105 mm [9].

Contudo, fruto da evolução do projeto, em 2013, foi estudada a hipótese da mudança do

calibre do projétil e da implementação de um sistema de altimetria.

A mudança do calibre do projétil aumentou de 105 mm para 155 mm (Figura 1.2). É

importante salientar que este estudo foi realizado considerando o Obus M114A1. Esta alteração

permite ao projétil aumentar a sua capacidade de carga do líquido retardante e o seu alcance [6].

Figura 1.2- Proposta do projétil 155 mm [6].

Resultante desta alteração, em teoria, esta munição terá a capacidade de carga

correspondente a 7,5 dm3, o que permitirá atuar numa área de aproximadamente 75 m

2 [6].

Com a implementação de um sistema de altimetria (Figura 1.3), a detonação deixa de ser

mecânica e passa a ser controlada eletronicamente. A necessidade desta alteração surge como

resultado do desenvolvimento deste projeto. Em 2012, concluiu-se que a detonação mecânica do

projétil não era eficiente. O sistema de ejeção da carga não foi eficaz, uma vez que as munições não

4

libertaram a carga [9]. Para maximizar o efeito do líquido, estima-se que a libertação deste deve

efetuar-se entre os 7 e os 20 m do solo [10].

Figura 1.3 - Sistema de altimetria [6].

Este ano, pretende-se desenvolver a possibilidade de controlar eletronicamente a ativação da

espoleta, através da implementação de um sistema de comunicação e controlo associado ao sistema

de gestão de energia e ativação da espoleta. Estas alterações permitirão uma maior flexibilidade no

controlo, uma vez que o tempo de voo será inserido no sistema através de uma interface de

comunicação sem fios com o operador do obus de artilharia.

1.3.2 Espoletas eletrónicas

As espoletas eletrónicas foram, inicialmente, desenvolvidas na Segunda Guerra Mundial.

Estas espoletas, com a aplicação do efeito de Doppler, detonavam quando atingiam um certo nível de

proximidade com o objetivo. Atualmente, a eletrónica está presente em vários mísseis e espoletas

com diferentes níveis de complexidade. Até então, a maior parte dos mecanismos existentes eram

mecânicos. O desenvolvimento da tecnologia permite às espoletas eletrónicas uma capacidade de

controlo muito superior às espoletas mecânicas. A evolução da solução eletrónica está a alcançar um

nível que revela uma melhor relação eficiência-custo quando comparada com a solução mecânica

[11].

As espoletas de tempo podem ser mecânicas ou eletrónicas. As mecânicas apresentam um

mecanismo de relógio cuja programação é realizada através da rotação do corpo relativamente à

tampa (Figura 1.4) [12].

5

Figura 1.4 - Espoleta de tempo mecânica.

As espoletas de tempo eletrónicas podem ser configuradas pelo utilizador (normalmente

operador do obus) e fazem detonar o projétil no fim do tempo estabelecido. Estas espoletas utilizam

um oscilador de cristal (utilizados nos relógios digitais).

Existem ainda espoletas que permitem a conjugação dos dois métodos, tal como é o caso da

espoleta M762A1 (Figura 1.5) que permite ao operador ajustar o tempo manual ou automaticamente

através de uma interface [13].

Figura 1.5 - Espoleta M762A1.

A eletrónica não se aplica apenas às espoletas de tempo. A sua aplicação também se

estende aos outros tipos de espoletas. Contudo, a mais recente evolução das espoletas são as Multi-

Option Fuse Artillery (Figura 1.6) (MOFA). Esta espoleta eletrónica incorpora as quatro opções de

iniciação da cadeia de fogo na detonação duma granada (percussão, percussão com atraso, tempos

e aproximação). Na sua constituição constam um microprocessador, uma antena, uma bateria, para

além dos outros elementos constituintes de uma espoleta [14].

6

Figura 1.6 - Exemplo de uma Multi-Option Fuse Artillery [15].

1.3.3 Comunicação sem fios

Para a configuração do sistema de controlo, é necessário um sistema de comunicação que

permita a interface entre este e o operador do obus. Para garantir uma maior flexibilidade neste

processo, a comunicação entre o operador do obus e o sistema de comunicação e controlo é sem

fios.

Atualmente, existem várias tecnologias que permitem o estabelecimento de comunicação

sem fios. Posteriormente, analisaremos as tecnologias Bluetooth e Radio-Frequency Identification

(RFID).

1.3.3.1 Bluetooth

Bluetooth é a designação de um protocolo para comunicações sem fios que permite o

estabelecimento de comunicações simultâneas sem fios, entre vários dispositivos eletrónicos

(computadores, smartphones, tablets, entre outros), a curta distância e com um baixo consumo de

energia. Esta tecnologia, criada em 1994, foi apresentada pela empresa Ericsson. Nos dias que

correm, a tecnologia Bluetooth é amplamente utilizada, estando presente em muitos dispositivos,

desde dispositivos móveis de comunicação até dispositivos de entretenimento.

A tecnologia Bluetooth permite a transferência de informação entre dispositivos, sendo para

tal necessário que os diferentes dispositivos disponham desta tecnologia [16].

Inicialmente, esta tecnologia apresentava muitos problemas no que respeita ao

estabelecimento da conexão. Contudo em 2003, com o lançamento da versão 1.2, a maior parte dos

erros foram corrigidos. A partir deste ano, começaram a surgir no mercado dispositivos que

7

disponibilizavam esta tecnologia. As principais alterações efetuadas desde então centraram-se com o

aumento dos ritmos de transmissão de dados, o aumento do alcance para o estabelecimento da

comunicação e a melhoria dos mecanismos de conexão e descoberta de dispositivos. A tecnologia

Bluetooth opera na banda dos 2,4 GHz e permite um alcance até 100m [17]. Existem 3 classes, de

acordo com o valor do seu alcance máximo:

Classe 1 – 100 metros;

Classe 2 – 10 metros;

Classe 3 – Até 1 metro [16].

1.3.3.2 Identificação por radiofrequência

A identificação por radiofrequência, do inglês Radio-Frequency Identification (RFID), é uma

tecnologia que permite a comunicação e transmissão de dados através de ondas eletromagnéticas.

Esta é geralmente utilizada para identificação e monitorização de objetos, produtos ou animais e

controlo de acessos e mercadorias.

O sistema RFID é constituído por uma etiqueta e um leitor. O leitor é um rádio emissor-

recetor, que envia um sinal para a etiqueta e lê a sua resposta. É o responsável pelo estabelecimento

da comunicação com a etiqueta e inclui o software de gestão que controla a comunicação entre os

elementos constituintes deste sistema.

As etiquetas são constituídas por um circuito integrado ligado a uma antena. Estas podem ser

ativas, passivas ou semi-passivas. A principal diferença entre elas é a forma como é feita a leitura

e/ou escrita dos dados. Para a leitura dos dados, as etiquetas passivas são ativadas pelo sinal rádio

proveniente do leitor. As etiquetas ativas possuem uma bateria interna, permitindo, desta forma, o

envio do seu próprio sinal. Por fim, as etiquetas semi-passivas, apesar de possuírem uma bateria,

apenas a utilizam na presença do sinal proveniente do leitor.

A principal vantagem das etiquetas passivas é o seu baixo custo de fabrico. Contudo, o seu

alcance de leitura é menor do que o das etiquetas ativas e exige um sinal rádio com maior potência

de emissão para a leitura dos dados [18].

Os sistemas RFID podem operar nas:

Baixas frequências (LF) – 125 kHZ ou 134 kHZ;

Altas frequências (HF) – 13,56 MHz;

Muito altas frequência (UHF) – Entre 866 MHZ e 960 MHz [18].

O alcance de leitura das etiquetas depende do sistema de RFID utilizado, ou seja, depende

da frequência do sistema RFID, do tamanho da antena da etiqueta, a potência do leitor e do tipo de

etiqueta [19]. Assim, obtém-se o alcance de leitura:

Para as etiquetas passivas – Até 2 metros;

Para as etiquetas semi-passivas – 100 metros;

Para as etiquetas ativas – Até 500 metros [20].

8

O preço das etiquetas varia de acordo com o seu tipo. As etiquetas ativas têm um preço

superior a 22 euros enquanto que o preço das etiquetas passivas, para grandes quantidades, ronda

os 10 cêntimos de euro [21]. A principal desvantagem do sistema RFID é o seu preço de

implementação. Este varia de acordo com o tipo de sistema utilizado. Apesar do custo das etiquetas

ser relativamente baixo, a necessidade de aquisição dos equipamentos necessários à sua

implementação (leitor e antena) aumenta significativamente o preço do conjunto.

Para a concretização do presente trabalho, analisaram-se estas duas tecnologias, pelo que,

apresentamos as vantagens e desvantagens da tecnologia Bluetooth e RFID. Deste modo, na Tabela

1.1, comparam-se as duas tecnologias, a fim de se perceber as suas principais diferenças.

Tabela 1.1 - Tabela comparativa entre o Bluetooth e RFID

Bluetooth RFID

Aplicações Comunicação sem fios Identificação e monitorização;

Controlo.

Alcance 100m 500m [20]

Vantagens Suporta comunicação voz e dados; Segurança;

Maior alcance;

Desvantagens Segurança; Preço de implementação.

1.4 Estrutura da dissertação

O presente trabalho é constituído por 5 capítulos e apresenta a seguinte estrutura:

Capítulo 1: Introdução – Apresentação da motivação para a realização deste trabalho,

descrição dos objetivos deste trabalho e, ainda, o levantamento do estado da arte relativo

ao trabalho a ser desenvolvido;

Capítulo 2: Proposta de implementação do sistema de comunicação e controlo –

Considerações para o projeto, apresentação do sistema eletrónico proposto, descrição dos

materiais a utilizar, explicação das funcionalidades do sistema de comunicação e controlo,

análise de custos associados ao sistema de comunicação e controlo e, ainda, definição e

proposta das metodologias de projeto a utilizar;

Capítulo 3: Sistema experimental – Apresentação dos módulos constituintes, testes

experimentais de cada bloco constituinte do sistema de comunicação e controlo;

Capítulo 4: Prototipagem e Resultados práticos – Definição do protótipo e análise de

resultados experimentais em várias situações-caso;

Capítulo 5: Conclusões e trabalhos futuros – Apresentação das conclusões do relatório

bem como as propostas para a realização de trabalhos futuros.

9

Capítulo 2

2 Proposta de implementação do sistema de comunicação e

controlo

Neste capítulo, apresenta-se a proposta de implementação do sistema de comunicação e

controlo no protótipo geral. Este protótipo, na sua constituição, está associado ao sistema de gestão

de energia e ativação de uma espoleta eletrónica. Desta forma, apresentam-se os parâmetros do

projeto FIREND®. Posteriormente, procede-se à análise e apresentação dos detalhes funcionais do

sistema de comunicação e controlo de uma espoleta eletrónica e dos blocos constituintes.

Uma vez definidas as funções dos blocos constituintes do sistema de comunicação e

controlo, efetuou-se uma pesquisa e análise de possíveis módulos para a realização dessas funções.

Assim, apresenta-se a comparação dos módulos analisados, bem como a análise dos custos

associados à aquisição dos mesmos.

No final do capítulo, procede-se à explicação da proposta para a sua concretização.

2.1 Sistema eletrónico proposto

Como foi referido anteriormente, o presente trabalho foca-se na parte de comunicação e

controlo do sistema de uma espoleta eletrónica. Salienta-se que foi desenvolvido em paralelo com o

sistema de gestão de energia e ativação da espoleta que é responsável pelo fornecimento e gestão

de energia a todo o sistema eletrónico e pela abertura da munição para ejeção da carga.

Assim, este sistema é constituído por um acelerómetro que é responsável por enviar ao

sistema de comunicação e controlo o sinal, de forma a iniciar a contagem do tempo. No final da

contagem, o sistema de gestão e ativação da espoleta receberá do sistema de comunicação e

controlo um sinal para que se inicie a ativação da espoleta. Na Figura 2.1 é possível ver um diagrama

de blocos correspondente ao protótipo geral deste projeto, onde se verificam as interações

anteriormente referidas, em relação ao sistema de gestão de energia e ativação da espoleta.

10

Figura 2.1 - Diagrama de blocos do protótipo geral.

2.2 Definição dos parâmetros do projeto

Uma vez que este trabalho está a ser realizado em paralelo com outro projeto da mesma

natureza, foi necessário especificar os parâmetros a ter em conta, com o objetivo de evitar

descrepâncias e contribuir para a orientação dos trabalhos, a fim de se concretizarem os parâmetros

do projeto FIREND®. Estes parâmetros são:

A gama de temperaturas para os componentes a considerar;

As dimensões físicas da espoleta do FIREND®;

As tensões de alimentação fornecidas pelo sistema de gestão de energia e ativação;

As características do acelerómetro;

A sensibilidade para a contagem do tempo;

A comunicação entre o microcontrolador e o módulo de comunicação;

As características para o sinal de ativação.

Posto isto, os componentes eletrónicos devem ser capazes de operar numa gama de

temperaturas entre - 40ºC e 70ºC, valores tabelados [22].

As dimensões físicas do protótipo geral estão limitadas pelas dimensões do projétil 155 mm.

Nas figuras seguintes, apresenta-se a vista em corte de uma espoleta do projétil 155 mm, cujas

dimensões estão apresentadas em milímetros (Figura 2.2) e a correspondente vista em corte do local

na munição onde a espoleta será introduzida (Figura 2.3).

11

Figura 2.2 - Vista em corte de uma espoleta de um projétil 155 mm [1].

Figura 2.3 - Vista em corte do local correspondente na munição 155mm [1].

No que diz respeito à alimentação dos blocos constituintes do sistema de comunicação e

controlo, o sistema de gestão de energia e ativação da espoleta responsabiliza-se pela alimentação

do sistema. Assim, estabeleceu-se para as tensões de alimentação 3,3 V, 5 V, 12 V e o terminal terra

(ground).

Relativamente às características do acelerómetro, este possui 3 eixos para a deteção do

movimento (x, y e z). Na Figura 2.4, apresenta-se o referencial dos eixos do acelerómetro.

12

Figura 2.4 - Referencial dos eixos do acelerómetro.

Outro parâmetro que é importante definir é a sensibilidade pretendida para a contagem do

tempo. Como é conhecido, o projétil em desenvolvimento deve ser ativado a uma altura do solo, que

varia entre 7 e 20m. Para se proceder a esta definição, analisou-se a velocidade terminal da “Carga2

nº7” para a qual correspondem as velocidades máximas que se podem atingir com uma munição de

155mm. A velocidade terminal desta carga está na ordem dos 500m/s, pelo que o intervalo de tempo

decorrido entre os 20m de altura e o embate no solo é na ordem dos 40 milissegundos. Desta forma,

para a realização deste trabalho, estabeleceu-se que a contagem do tempo de voo terá a

sensibilidade de 1 milissegundo.

No que respeita à comunicação entre o microcontrolador e o bloco de comunicação,

estabeleceu-se que o modo de comunicação a utilizar é o Universal Asynchronous

Receiver/Transmitter (UART). A possibilidade de utilizar este modo em todos os componentes foi a

razão para a sua utilização.

O último parâmetro a definir é o sinal enviado ao sistema de gestão de energia e ativação da

espoleta. Este sinal, como já foi referido, será enviado no final da contagem do tempo de voo. Para

este projeto, de acordo com o outro trabalho desenvolvido para o FIREND®, definiu-se que o sinal de

ativação é um sinal cuja amplitude no instante de ativação passa de 0V para uma amplitude superior

a 10V.

2.3 Considerações para o sistema de comunicação e controlo

2.3.1 Diagrama de blocos

O sistema de comunicação e controlo vai ser descrito pelo diagrama de blocos apresentado

na Figura 2.5, onde:

2 A carga de tiro é a quantidade de pólvora colocada na câmara de combustão do obus. Para tiro curvo,

as cargas variam de 1 a 7. A “carga nº1” corresponde à carga mínima para efetuar tiro e a “carga nº7” à carga mais potente.

13

O bloco RTC (Real-Time Clock) corresponde ao circuito de relógio responsável pela

contagem do tempo;

O bloco de controlo é responsável pelo controlo do sistema de comunicação e controlo e

interação com o sistema de gestão de energia e ativação da espoleta;

O bloco de comunicação tem a função de fazer a interface entre o sistema de comunicação e

controlo e o operador do obus;

Figura 2.5- Diagrama de blocos do sistema de comunicação e controlo da espoleta eletrónica.

2.3.2 Função dos blocos do diagrama

De acordo com o diagrama de blocos apresentado anteriormente, apresentam-se as funções

dos respetivos blocos constituintes.

O bloco de controlo tem como funções:

Controlar a autenticação do operador do obus;

Pedir o tempo de voo ao operador do obus através da interface de comunicação;

Receber o parâmetro (tempo de voo) do bloco de comunicação;

Pedir a confirmação do parâmetro introduzido;

Programar o RTC de acordo com o parâmetro recebido;

SISTEMA DE GESTÃO DE ENERGIA E

ATIVAÇÃO DA ESPOLETA

14

Receber o sinal do acelerómetro (bloco de acionamento da espoleta) para começar a

contagem;

Enviar essa informação ao RTC para iniciar a contagem;

Verificar a contagem do tempo;

Enviar o sinal de ativação para o módulo de acionamento da espoleta, uma vez esgotado

o tempo.

O bloco comunicação tem como funções:

Estabelecer a interface de comunicação entre o bloco de controlo e o operador do obus;

Receber a palavra-passe do operador do obus e enviar para o bloco de controlo;

Receber o parâmetro (tempo de voo) através da interface com o operador do obus;

Receber a confirmação do operador do obus para a configuração efetuada;

Receber o comando do operador do obus para o caso da desativação da espoleta;

Enviar a informação para o bloco de controlo.

O RTC tem como funções:

Fazer a contagem do tempo de voo.

No circuito proposto, o RTC está integrado no bloco de controlo, sendo necessário ligar um

cristal ao circuito de modo a assegurar uma frequência de relógio precisa.

O bloco localizador possibilita a localização do local da queda da munição e a recuperação do

projétil, desde que não haja uma destruição significativa do mesmo. Este bloco permite assim reduzir

o impacto ambiental.

2.3.3 Análise dos componentes

Para a realização do presente trabalho, foi necessário efetuar um levantamento dos

integrados a adquirir para o cumprimento das tarefas do sistema de comunicação e controlo. De

acordo com os blocos apresentados anteriormente, são necessários circuitos que executem as

tarefas para:

O bloco de controlo;

A comunicação com o microcontrolador;

O localizador.

Como referido anteriormente, para o bloco RTC apresentado no diagrama de blocos, apenas

será necessária a aquisição de um cristal de quartzo.

Em seguida, apresenta-se a análise de alguns integrados para os diferentes blocos

constituintes do sistema de comunicação e controlo. Esta análise baseou-se no cumprimento dos

requisitos necessários para o projeto.

15

2.3.3.1 Microcontrolador

Para a escolha do microcontrolador, fez-se a comparação entre vários integrados diferentes.

Na Tabela 2.1, apresenta-se uma análise comparativa entre alguns componentes da MAXIM, da

MICROCHIP e da Atmel. Esta análise baseou-se nos requisitos necessários para o cumprimento das

funções apresentadas anteriormente.

Tabela 2.1- Tabela comparativa dos microcontroladores considerados.

MAXQ 618

[23]

MAXQ 7670

[24]

PIC18F452

[25]

ATMEGA328

[26]

Gama de temperatura 0ºC a 70ºC -40ºC a

+125ºC -40ºC a +125ºC -40ºC a +85ºC

Gama de tensões 1,7 - 3,6 V 2,25 - 5 V 2 - 5,5V 1,8 - 5,5 V

Tamanho (mm) 7x7 5x5 52x14 35x7

UART Sim Não Sim Sim

Terminais de CAD3

(resolução) - 8 (10 bits) 8 (10 bits) 6 (10 bits)

Velocidade da CPU

(MIPS) 12 1/MHz 10 1/MHz

Dos componentes apresentados na tabela anterior, o MAXQ618 não foi utilizado pelo facto de

não corresponder à gama de temperaturas definidas e não possuir canais para conversão analógico-

digital. Assim, não se verifica a compatibilidade com as características do projeto. O MAXQ7670

também não foi utilizado uma vez que não existe um periférico UART para a comunicação com o

módulo Bluetooth.

Por sua vez, os integrados da MICROCHIP e da ATMEL apresentam caraterísticas favoráveis

para o desenvolvimento deste trabalho, pela existência de diversas ferramentas de desenvolvimento.

O espaço disponível para o sistema de comunicação e controlo é limitado pelas dimensões da

espoleta. Como se pode verificar na Tabela 2.1, as dimensões do PIC18F452 e do ATMEGA328 são

favoráveis para a sua implementação no sistema de comunicação e controlo. Ambos os componentes

possuem um periférico UART para a comunicação com o módulo de comunicações e os canais de

conversão analógico-digital (CAD) suficientes para a realização deste trabalho.

3 CAD – Conversão Analógico-Digital.

16

2.3.3.2 Comunicação

Apesar do sistema RFID possuir um maior alcance, a tecnologia Bluetooth é a mais

adequada. A relação entre o custo de implementação e o alcance do sistema RFID não compensa a

sua implementação sendo o alcance da tecnologia Bluetooth suficiente para o cumprimento das

especificações deste trabalho.

Os componentes considerados para a realização do bloco de comunicação foram o

MAX2831/2832 (MAXIM), AMS001/002, RN-41 e o HC-06. A Tabela 2.2 apresenta as especificações

dos vários módulos apresentados.

Tabela 2.2 - Tabela comparativa dos componentes para a comunicação.

MAX2831/2832

[27]

AMS001/002

[28]

RN-41/42 [29]

[30] HC-06 [31]

Gama de

tensões 2,7 - 3,6V 1,8 - 3,6V 3,0 – 3,6V 3,3 – 6V

Gama de

temperatura -40ºC a +85ºC -30ºC a +85ºC -40ºC a +85ºC -20ºC a +75ºC

UART Não Sim Sim Sim

Antena incluída Não Sim Sim Sim

Alcance - 50m 100/10m 10m

Baud rate

(default)(bps) - - 115200 9600

Tamanho (mm) 7x7 17.6x11.4 25.8x13.4 35x15

No que diz respeito ao bloco de comunicação, os módulos escolhidos para esta função são o

RN-41/42 e o HC-06.

Como se verifica na tabela anterior, o integrado MAX2831/2832 não possui antena integrada

pelo que seria necessária a implementação de uma antena externa.

Os módulos RN-41/42 e HC-06 foram os módulos escolhidos para esta função. As razões que

levaram a esta escolha foram:

A compatibilidade com os microcontroladores analisados;

A existência de ferramentas de desenvolvimento mais baratas;

Apesar do módulo HC-06 não cumprir os parâmetros do FIREND® relativos à temperatura,

este módulo de comunicação foi escolhido. Salienta-se que a violação da restrição da temperatura

mínima não impõe grandes problemas na sua utilização, nomeadamente para a realização desta

função específica.

17

2.3.3.3 Localizador

Apesar de não ser um dos objetivos desta Dissertação de Mestrado, analisou-se a

possibilidade de inclusão de um localizador para que fosse possível recuperar a munição depois de

lançada.

Os localizadores utilizam o sistema de posicionamento global (GPS) para determinar a sua

posição. Esta informação pode ser guardada em memória ou, então, transmitida para um terminal

(por exemplo, computador) através de um módulo embebido para comunicação móvel – geralmente,

utilizam um módulo GSM (Global System Mobile) ou GPRS (General Packet Radio Service). Os

localizadores dividem-se em 3 categorias, tendo em consideração o modo como os dados são

armazenados e transmitidos. Assim, verifica-se a existência de:

Data loggers: este tipo de localizadores regista, em intervalos de tempo regulares, as

coordenadas da sua posição e armazena essa informação na memória interna, o que

permite que esta possa ser recolhida para análise de dados.

Data pushers: neste tipo de localizadores, existe a transmissão dessa informação para

um terminal, em intervalos de tempo regulares.

Data pullers: Estes localizadores estão sempre ligados pelo que permitem a

monitorização constante da posição, o envio e a receção de dados relativos à sua

posição bem como outros sensores associados [32].

A fim de ser possível a receção da posição da munição depois de lançada, o localizador teria

a capacidade de transmitir a sua posição para um terminal (tipo data pusher).

Contudo, após as pesquisas efetuadas, concluiu-se que o desenvolvimento desta solução

levanta outras questões que não são objetivos deste trabalho. A correta implementação desta

solução implica uma análise detalhada sobre o funcionamento do GPS e das funcionalidades de cada

tipo de localizador. Desta forma, a sua inclusão será alvo de trabalhos futuros.

2.4 Análise de custos

Um dos fatores importantes para a realização do sistema de comunicação e controlo é a sua

viabilidade económica. Uma vez que este sistema será utilizado em grandes quantidades é

necessário avaliar os custos associados à sua concretização.

Na realização desta tarefa, avaliaram-se os custos de aquisição de componentes necessários

para 1000 exemplares do sistema de comunicação e controlo.

Nesta análise de custos não foram contabilizados os custos de produção nem os custos

correspondentes aos elementos passivos e aos transístores de junção bipolar utilizados na

montagem do deslocador de nível (level shifter).

Na Tabela 2.3, podemos observar o custo de cada componente para a aquisição de 1000

exemplares para cada componente apresentado.

18

Tabela 2.3 - Preço de cada componente4.

Preço por unidade (Euros) Preço por unidade para 1000

componentes (Euros)

PIC18F452 6,47 5,77

ATMEGA328 3,31 1,65

RN-41 19,66 16,74

RN-42 13,69 11,78

HC-06 3 – 5 3 - 5

ATMEGA328 + RN-41 22,97 18,39

ATMEGA328 + RN-42 17,00 13,43

ATMEGA328 + HC-06 6,31 – 8,31 4,65 – 6,65

*dependendo da distribuidora.

Com a análise da Tabela 2.3 verificou-se que o ATMEGA328 é o que mais se ajusta a este

trabalho porque apresenta as características necessárias, dimensões reduzidas e um preço inferior,

em comparação com o outro microcontrolador.

Os módulos de comunicação apresentam dimensões semelhantes. A diferença entre estes

está no preço do módulo. Para este trabalho, definiu-se que o alcance mínimo do módulo de

comunicação é de 10 metros. Contudo, o alcance do módulo de comunicação é uma variável que

carece de avaliação em situação real, o que será alvo de trabalhos futuros. Deste modo, para este

trabalho, consideram-se os dois alcances (10 e 100 metros).

Os módulos RN-42 e HC-06 apresentam o alcance de 10 m uma vez que são da classe 2 do

Bluetooth. Contudo, o último apresenta um preço significativamente mais baixo. Assim, para o

alcance de 10 m, o HC-06 é o módulo que vai integrar o protótipo. Para o alcance de 100 m,

considera-se o módulo RN-41.

2.5 Proposta de concretização

2.5.1 Ferramentas de desenvolvimento

Escolhidos os componentes a utilizar para os diferentes blocos constituintes do sistema de

comunicação e controlo, impôs-se a necessidade de encontrar ferramentas para o desenvolvimento

do trabalho.

Existe uma grande variedade de ferramentas disponíveis para a programação dos

microcontroladores. A sua seleção varia de acordo com o ambiente de programação que se pretende.

Para o desenvolvimento de projetos com recurso a microcontroladores, as linguagens de

programação mais utilizadas são Assembly e C.

4 Os preços apresentados na tabela foram retirados da respetiva marca do componente.

19

Para os componentes da Atmel, existem diversas plataformas para ambas as linguagens.

Pelo que, antes de se proceder à pesquisa de ferramentas de desenvolvimento, é preciso definir o

ambiente de programação que se pretende. Para este trabalho, escolheu-se a linguagem C.

De acordo com as pesquisas efetuadas, as placas de desenvolvimento têm um preço

elevado. Associado a esta placa, é necessário encontrar um programador, o que aumenta o preço do

conjunto. No seguimento desta pesquisa, encontrou-se o Arduíno que pode funcionar como

programador do microcontrolador da Atmel. O Arduíno é uma plataforma de prototipagem open-

source que permite o desenvolvimento de sistemas de controlo [33]. Assim, a placa de

desenvolvimento escolhida para a programação do componente da Atmel foi o Arduíno Uno (Figura

2.6). As razões pela qual se escolheu esta placa foram:

A linguagem de programação é baseada em C;

O preço é acessível;

Não necessita de um programador, pelo que apenas é necessário um cabo tipo A-B

(cabo para impressora);

A capacidade de funcionar como fonte de alimentação (3,3V, 5V);

.

Figura 2.6 - Arduíno Uno.

2.5.2 Programação

A programação do microcontrolador levou à necessidade de criar um algoritmo. Esta etapa foi

iniciada com o levantamento das tarefas a executar. Na Figura 2.7, é possível observar a sequência

das mesmas.

20

Figura 2.7 - Sequência das tarefas a executar

.

De acordo com a sequência apresentada, torna-se necessário explicar com mais detalhe

cada uma das tarefas.

Inicialização – Nesta tarefa, procede-se à configuração dos parâmetros do microcontrolador

necessários à execução das tarefas a realizar (terminais de entrada e saída do

microcontrolador, definição dos parâmetros dos canais para a conversão analógico-digital do

microcontrolador e definição do baudrate para a comunicação com o módulo Bluetooth - 9600

bps);

Autenticação – Nesta tarefa, o operador do obus efetua a autenticação com o sistema de

comunicação e controlo. Através da interface de comunicação, o bloco de controlo pede a

introdução da palavra passe. O bloco de controlo verifica o sucesso da autenticação, caso

contrário repete o processo. O módulo Bluetooth garante a interface de comunicação entre o

operador do obus e o bloco de controlo;

Introdução do tempo de voo – Uma vez efetuada a autenticação com sucesso, o operador

do obus prossegue para a configuração do tempo de voo para o projétil. Esta configuração

tem dois parâmetros: os segundos e os milissegundos. Assim que o operador do obus efetuar

essa configuração, o bloco de controlo pede a confirmação do tempo de voo inserido no

Inicialização

•Neste passo, configuram-se os parâmetros necessários para o sistema de comunicação e controlo.

Autenticação

•A fim de tornar o sistema de comunicação seguro, pede-se ao operador do obus a introdução da palavra-passe.

Introdução do tempo de voo

•Em seguida, configura-se o tempo de voo pretendido.

Deteção do acelerómetro

•Aguarda pelo sinal analógico proveniente do acelerómetro.

Contagem do tempo

•Uma vez detetado o sinal, inicia-se a contagem do tempo de voo inserido anteriormente.

Ativação

•No final da contagem, ocorre o envio do sinal para o sistema de gestão e ativação da energia.

21

sistema através da interface de comunicação. Caso se verifique essa validação, prossegue

para a tarefa seguinte. Caso contrário, repete o processo de configuração.

Deteção do acelerómetro – Esta tarefa tem um papel importante no sistema de

comunicação e controlo, uma vez que é responsável pelo início da contagem do tempo.

Como é conhecido, resulta da interação com o acelerómetro do sistema de gestão de energia

e ativação. Uma vez que este tem a capacidade de detetar a variação do movimento segundo

3 eixos, impõe-se a necessidade da sua correta configuração. Aquando do seu lançamento,

dentro do obus, o projétil tem dois movimentos: o movimento em direção à saída e o

movimento de rotação devido às estrias do obus.

Neste sentido, esta tarefa tem duas fases. Numa primeira fase, deteta o movimento

na direção da saída do obus (corresponde ao eixo dos zz). Caso se verifique essa deteção,

inicia-se a contagem do tempo.

Numa segunda fase, para garantir o deslocamento do projétil, verifica a deteção do

movimento de rotação do projétil após a saída do obus (corresponde ao eixo dos xx e dos yy).

Desta forma, se se verificar essa deteção, a contagem do tempo continua. Caso contrário, é

considerado falha de tiro e a contagem do tempo será interrompida. Com isto, não será

enviado o sinal de ativação para o sistema de gestão de energia e ativação da espoleta.

Assim, é necessário definir um tempo de espera entre a primeira e a segunda fase.

Respeitando as caraterísticas do desenvolvimento do FIREND®, o comprimento do cano do

Obus M114A1 é de 23 calibres, tal corresponde a 3,565 metros [34]. Conhecendo estas

características, pela análise das equações do movimento uniformemente acelerado, é

possível calcular o tempo que o projétil demora até à saída do obus, de acordo com a carga

utilizada.

Equation Chapter (Next) Section 1

2

0 0 2

1 2.zv .t .a.t a

2 tz z (1.1)

0

vv v a.t t

a (1.2)

Substituindo a equação 2.1 na equação 2.2, obtém-se:

2.z

tv

(1.3)

Em que x corresponde ao comprimento do cano e v à velocidade de saída do projétil.

Para a Carga nº1, a velocidade à saída do obus é de 211.8 m.s-1

. Enquanto que, para

a Carga nº7, esta é de 565,4 m.s-1

. De acordo com a equação 2.3, obtém-se:

o Para a Carga nº1 – 𝑡 = 0.034 s

22

o Para a Carga nº7 – 𝑡 = 0.013 𝑠

Uma vez obtidos estes valores, definiu-se que o tempo de espera entre a primeira e a

segunda fase é de 50 milissegundos. Deste modo, é possível garantir que o projétil continua

em movimento após a saída do obus para ambas as cargas.

Contagem do tempo – A contagem do tempo de voo inicia-se com a deteção da variação do

movimento no eixo principal.

Ativação – O envio do sinal de ativação depende da deteção da variação do movimento

correspondente à rotação do projétil. Caso esta se verifique e finalizada a contagem do

tempo, o sistema de comunicação e controlo envia um sinal de ativação para o sistema de

gestão de energia e ativação da espoleta. Este sinal de ativação é caracterizado por um sinal

cuja amplitude no instante de ativação passa de 0V para uma amplitude superior a 10V.

Com o objetivo de tornar o sistema de comunicação e controlo seguro, este sistema permite a

funcionalidade de cancelar a ativação. Deste modo, depois da configuração do tempo de voo, caso o

operador do obus pretenda extrair a munição, pode fazê-lo com segurança, sem que haja qualquer

risco de ativação. Para tal, basta enviar uma letra para o sistema de comunicação e controlo através

da interface de comunicação, cancelando assim a ativação. Porém, neste passo, o sistema pede

confirmação da decisão. Caso esta não se verifique, o sistema ignora o cancelamento da ativação.

É importante referir que a desativação apenas pode ocorrer depois da configuração do tempo

de voo e antes da deteção do sinal analógico do acelerómetro. Isto porque a programação das etapas

é sequencial. O sistema de controlo aguarda a deteção da variação do movimento após a

configuração do tempo. Assim, caso se pretenda a extração da munição antes da configuração do

tempo, não é necessário proceder-se ao cancelamento da ativação.

Na Figura 2.8, é possível ver o fluxograma do algoritmo utilizado.

23

Figura 2.8 - Fluxograma do algoritmo utilizado.

24

Capítulo 3

3 Sistema experimental

Neste capítulo, apresentam-se as caraterísticas dos componentes utilizados. Em seguida,

explicam-se os procedimentos utilizados para a caraterização dos blocos constituintes do sistema de

comunicação e controlo.

No final do capítulo, são apresentados os testes experimentais realizados para a avaliação do

desempenho das tarefas críticas dos respetivos blocos.Equation Chapter (Next) Section 1

3.1 Microcontrolador

Tal como foi referido anteriormente, para este bloco, utilizou-se o ATMEGA328 da Atmel. Em

anexo, apresentam-se os procedimentos para a programação do microcontrolador através da placa

Arduíno.

De acordo com as especificações do trabalho, a programação tem duas partes. A primeira

parte é responsável pela configuração necessária do microcontrolador (baud rate, terminais de

entrada e saída para as restantes tarefas). A segunda parte responsabiliza-se pela autenticação e

programação do tempo de voo, resultante da interface com o operador, pela deteção dos sinais

provenientes do acelerómetro, contagem do tempo e emissão do sinal para a ativação.

3.1.1 ATMEGA328

O componente ATMEGA328 da Atmel possui 28 terminais. Na Figura 3.1, apresenta-se o

esquema elétrico do respetivo componente.

Figura 3.1 - Esquema elétrico do ATMEGA328 [26].

25

É importante referir os terminais que desempenham as tarefas críticas. De acordo com a

figura apresentada:

O terminal 1 – Para garantir o funcionamento do microcontrolador, é necessário fazer um

pull-up com uma resistência de 10 kΩ;

O terminal 2 – Comunicação do módulo Bluetooth com o microcontrolador;

O terminal 3 – Comunicação do microcontrolador com o módulo de comunicação;

Os terminais 7 e 20 – Alimentação do microcontrolador;

Os terminais 8 e 22 – Terminal terra (Ground);

O terminal 9 e 10 – Cristal;

O terminal 13 – Terminal utilizado para testar a deteção dos sinais provenientes do

acelerómetro;

O terminal 14 – Porto de saída do sinal para a ativação;

O terminal 26 – Terminal de entrada analógica correspondente ao eixo dos xx do

acelerómetro;

O terminal 27 – Terminal de entrada analógica correspondente ao eixo dos yy do

acelerómetro;

O terminal 28 – Terminal de entrada analógica correspondente ao eixo dos zz do

acelerómetro.

3.2 Módulo de comunicação

3.2.1 RN-41

Na Figura 3.2, apresenta-se o esquema elétrico do módulo Bluetooth RN-41.

Figura 3.2 - Esquema elétrico do RN-41 [29].

26

À semelhança do microcontrolador, é importante identificar os terminais relevantes para a

realização deste sistema de comunicação e controlo. Neste sentido, para este módulo, verificam-se:

Os terminais 1, 12, 28 e 29 – Referência (GND);

O terminal 11 – Alimentação a 3,3V;

O terminal 13 - Comunicação do microcontrolador com o módulo;

O terminal 14 – Comunicação do módulo com o microcontrolador.

3.2.2 HC-06

A Figura 3.3 mostra o módulo Bluetooth HC-06. Este apresenta um esquema elétrico mais

simples. Na sua constituição, existem 4 terminais, sendo estes suficientes para a comunicação com o

microcontrolador:

O terminal 1 – Alimentação do módulo a 3,3 V (VCC);

O terminal 2 – Referencial terra (GND);

O terminal 3 – Comunicação do módulo com o microcontrolador (TXD);

O terminal 4 – Comunicação do microcontrolador com o módulo (RXD).

Figura 3.3- Módulo Bluetooth HC-06.

3.2.3 Interface de comunicação

Para a interface de comunicação, é necessário uma aplicação que permita ao operador do

obus a introdução do tempo de voo para programar o bloco de controlo.

Inicialmente, esta tarefa seria assegurada através da realização de um programa em Matlab.

Contudo, surgiu a possibilidade desta tarefa ser assegurada através de uma aplicação Android.

A principal vantagem deste tipo de aplicação é a possibilidade de utilização em diversos

dispositivos eletrónicos, desde que estes utilizem este sistema operativo (SO). Atualmente existe uma

grande diversidade de dispositivos eletrónicos que utilizam este SO, como por exemplo, os

smartphones, os tablets e os computadores.

27

Assim, optou-se por utilizar uma aplicação deste tipo para a realização desta tarefa, o que

permite a sua utilização em todos os dispositivos com este SO. A aplicação pela qual se optou para

este trabalho foi o Bluetooth SPP Pro. Esta é disponível, gratuita e pode ser utilizada para os módulos

utilizados neste trabalho.

No entanto, dado que este sistema de comunicação e controlo será usado para diferentes

munições, é necessário a alteração do nome do módulo Bluetooth por forma a ser possível a sua

identificação. Com isto, definiu-se que o nome deve conter a referência da munição para que o

sistema de comunicação e controlo seja facilmente identificável.

Assim, o nome do respetivo módulo terá o formato de “FIREND#1234”, em que o número que

segue o cardinal corresponde à referência da munição onde se encontra colocado. Para tal, foi

necessário programar o módulo por forma a proceder-se a essa alteração.

Para garantir a segurança do sistema de comunicação procede-se à introdução de um

sistema de autenticação do operador antes de se configurar o tempo de voo.

Para este trabalho, definiu-se:

Nome do módulo Bluetooth – FIREND#1;

Código de emparelhamento com o módulo Bluetooth – 5355;

Palavra-passe – firend1.

É importante referir que este passo acontecerá no processo de fabrico do sistema de

comunicação e controlo, para que estas alterações tenham sido efetuadas antes da sua introdução

na espoleta. Em anexo, apresentam-se os procedimentos necessários para estas configurações.

3.3 Testes experimentais

Para a realização dos testes experimentais, procedeu-se ao levantamento das tarefas críticas

do sistema de comunicação e controlo. Estas tarefas são:

A verificação da comunicação entre o bloco de controlo e o módulo Bluetooth, resultante

da interface com o operador (autenticação e configuração do tempo);

A análise do tempo de reação do microcontrolador;

A avaliação da precisão da contagem;

A verificação do sinal emitido para a ativação da espoleta.

De modo a verificar a comunicação com o bloco de controlo, utilizou-se a aplicação Bluetooth

referida anteriormente. Na Figura 3.4, apresenta-se a montagem com a ligação do módulo Bluetooth

(RN-41) à placa Arduíno.

28

Figura 3.4 - Montagem do RN-41 com a placa Arduíno.

Para além do RN-41/42, também se efetuaram os testes para o módulo HC-06. Na Figura 3.5,

apresenta-se a montagem deste módulo com a placa.

Figura 3.5 - Montagem do HC-06 com a placa Arduíno

Importa referir que o terminal de receção (Rx) da placa Arduíno está ligado ao terminal de

transmissão (Tx) dos módulos Bluetooth e vice-versa. Nesta fase experimental, a alimentação para os

29

módulos Bluetooth é responsabilidade da placa Arduíno, como é possível observar na Figura 3.4 e

Figura 3.5.

Uma vez programado o microcontrolador, procedeu-se à verificação da comunicação entre

estes dois blocos através da aplicação definida.

3.3.1 Comunicação

3.3.1.1 Alteração do nome do módulo Bluetooth

Numa primeira fase, fez-se a verificação da alteração do nome do módulo. Na Figura 3.6,

pode-se observar a alteração do nome do módulo através da deteção do mesmo através da

aplicação.

Figura 3.6 - Verificação da alteração do nome do módulo Bluetooth.

3.3.1.2 Autenticação

Após a verificação da alteração do nome do módulo Bluetooth, procedeu-se à verificação das

outras tarefas associadas à comunicação (autenticação e configuração do tempo de voo). No que diz

respeito à autenticação, para se proceder à configuração do tempo de voo é necessário a introdução

de uma palavra-passe. Para o efeito, considerou-se “firend1” como a palavra-passe para prosseguir

para a configuração do tempo de voo. Esta palavra-passe, à semelhança do nome do módulo,

contém a referência da munição precedida pela palavra “firend”. Com o intuito de aumentar a

robustez do sistema de controlo, caso o operador do obus não consiga a introdução da palavra-passe

correta, o sistema reinicia a autenticação. Na Figura 3.7, é possível observar essas duas situações.

30

Figura 3.7 - Autenticação.

3.3.1.3 Configuração do tempo de voo

Ao concluir a autenticação com sucesso, o operador do obus tem de configurar o sistema de

controlo com o tempo de voo pretendido. Por forma a facilitar a configuração do operador do obus, o

sistema de comunicação pede a inserção dos segundos e dos milissegundos separadamente.

Todavia, caso ocorram erros na configuração do sistema de controlo, o sistema de comunicação

permite ao operador do obus reiniciar a configuração do tempo de voo. Assim, se a configuração do

tempo de voo está correta, o operador pressiona a tecla “s”. Caso contrário, para reconfigurar esse

parâmetro, basta pressionar outra tecla. Estas duas situações são apresentadas na Figura 3.8.

Figura 3.8 - Configuração do tempo de voo.

Na figura apresentada à direita, é possível observar a configuração do tempo efetuada com

sucesso caso a tecla premida seja “s”. À esquerda, verifica-se a reconfiguração do tempo caso não

seja premida a tecla “s”.

31

3.3.1.4 Cancelamento da ativação

O cancelamento da ativação permite a extração da munição com segurança, caso não se

pretenda a sua utilização. Como referido anteriormente, só é possível utilizar esta funcionalidade

após a configuração do tempo. Nas figuras que se seguem, apresentam-se as várias situações desta

funcionalidade. Na Figura 3.9, apresenta-se o diálogo de confirmação uma vez inserida a letra “e”.

Figura 3.9 - Cancelamento da ativação.

Em seguida, caso se confirme o cancelamento (Figura 3.10, à esquerda), o sistema de

controlo desativa a deteção do sinal do acelerómetro e, consequentemente, a contagem do tempo de

voo e o envio do sinal de ativação. Caso contrário (Figura 3.10, à direita), o sistema de controlo

continua a aguardar o sinal do acelerómetro.

32

Figura 3.10 - Resultado do cancelamento da ativação.

3.3.2 Bloco de controlo

Após a realização dos testes relativos à comunicação entre o módulo de comunicação e o

bloco de controlo, procedeu-se à análise do desempenho das tarefas críticas do bloco de controlo.

3.3.2.1 Tempo de reação do bloco de controlo

De acordo com os parâmetros do projeto, o acelerómetro, aquando da deteção do movimento

do projétil, envia um sinal analógico. De acordo com a sua resolução, o conversor analógico-digital do

microcontrolador (terminal de CAD) quantifica a amplitude da tensão de entrada. A resolução de 10

bits significa que o resultado desta conversão resulta num valor inteiro entre 0 e 1023 (210

=1024), em

que 0 corresponde a uma amplitude de 0V e 1023 corresponde a uma amplitude de 5V. Assim, foi

necessário proceder-se à configuração deste parâmetro do conversor analógico-digital do

microcontrolador (ADC) para iniciar a contagem do tempo. Desta forma, para se detetar um

determinado valor de tensão tem-se:Equation Chapter (Next) Section 1

Resolução ADC Val ADC lidor

=Tens

o

Tensão de alimentação de entrada noão canal (3.1)

Em que a Resolução ADC =1023 e a tensão de alimentação é de 5V. Conhecidos estes

parâmetros, é necessário definir o valor de tensão de entrada no terminal para calcular o Valor ADC

lido.

33

Como resultado da análise do comportamento do acelerómetro, definiu-se que a contagem do

tempo inicia-se assim que o microcontrolador detetar uma tensão de 0V. Contudo, para a

configuração deste parâmetro, considerou-se uma tensão de limiar de 0,5V. Isto é, inicia-se a

contagem do tempo assim que o terminal de CAD detetar uma tensão inferior a 0,5V. Considerando

este valor como a tensão de entrada no canal, de acordo com a equação 3.1, o Valor do ADC lido é

102. Com isto, definiu-se que a contagem do tempo de voo inicia-se assim que o terminal de CAD

obtiver, para este parâmetro, um valor inferior a 102.

Uma vez efetuadas as configurações necessárias para os terminais de CAD, procedeu-se à

análise do tempo de resposta do bloco de controlo face ao sinal proveniente do acelerómetro. Para

tal, o microcontrolador foi programado para emitir um sinal assim que detete o sinal do acelerómetro.

À exceção dos outros testes experimentais, para a análise desta tarefa crítica, utilizou-se o

sinal do acelerómetro do sistema de gestão de energia e ativação por forma a obter resultados mais

precisos. Na Figura 3.11 à esquerda, é possível observar o comportamento do bloco de controlo para

esta tarefa, a cor azul corresponde ao sinal proveniente do acelerómetro e a cor amarela ao terminal

de saída do microcontrolador.

Figura 3.11 – Resposta do bloco de controlo ao sinal do acelerómetro.

De acordo com a análise detalhada do resultado obtido, é possível observar que o tempo de

reação do bloco de controlo na deteção do sinal do acelerómetro (representado na Figura 3.11 pela

letra t) é inferior a 250 microssegundos (Figura 3.11 à direita). Este tempo de reação corresponde ao

tempo que o bloco de controlo demora a reagir quando o sinal proveniente do acelerómetro é inferior

a 0,5V. Esta informação é essencial para o desenvolvimento do trabalho. O tempo de reação é

relativamente inferior à sensibilidade da contagem do tempo (1 milissegundo). Assim, o tempo de

reação considera-se desprezável não sendo necessário contabilizar este atraso na contagem do

tempo de voo.

34

3.3.2.2 Precisão da contagem do tempo

Com o objetivo de testar a sensibilidade da contagem do tempo, o microcontrolador foi

programado para emitir impulsos com duração de 1 milissegundo. Desta forma, é possível analisar se

a sensibilidade da contagem corresponde ao que era esperado.

Na Figura 3.12, apresenta-se o resultado obtido.

Figura 3.12 - Teste da sensibilidade da contagem do tempo.

Fazendo uma análise mais detalhada do resultado obtido, é possível observar que o impulso

tem a duração de 1 milissegundo (Figura 3.13), o que confirma que a contagem do tempo tem a

precisão de 1 milissegundo.

Figura 3.13 - Precisão da contagem.

35

3.3.2.3 Sinal para ativação

O sinal de ativação a enviar para o sistema de gestão de energia e ativação, segundo a

definição dos parâmetros do projeto, é um um sinal cuja amplitude no instante de ativação passa de

0V para uma amplitude superior a 10V.

Uma vez que o microcontrolador é alimentado com 5V, a saída do terminal tem uma

amplitude máxima correspondente ao valor da tensão de alimentação. Assim, para garantir uma

amplitude superior a 10 V, utilizou-se um deslocador de nível para transformar os 5V numa tensão

superior a 10V.

Na Figura 3.14, apresenta-se o esquema elétrico correspondente à implementação do

deslocador de nível.

Figura 3.14 - Esquema elétrico do deslocador de nível.

É importante referir que a alimentação necessária para o deslocador de nível é da

responsabilidade do sistema de gestão de energia da espoleta. Após a montagem do deslocador de

nível, procedeu-se à análise do sinal de ativação. Na Figura 3.15, apresenta-se o resultado obtido.

A fim de testar o correto funcionamento do deslocador de nível, o microcontrolador emite

pulsos com amplitude 5V e de duração 10 milissegundos. Deste modo, é possível verificar o correto

funcionamento do deslocador de nível. O sinal representado pela cor amarela corresponde à saída do

terminal do microcontrolador. Por sua vez, o sinal representado pela cor violeta representa a saída do

deslocador de nível, onde transforma os 5V em 12V.

36

Figura 3.15 - Sinal de ativação.

37

Capítulo 4

4 Protótipo e resultados experimentais

Neste capítulo, apresentam-se os esquemas elétricos para o projeto do protótipo do sistema

de comunicação e controlo. Posteriormente, procede-se à análise dos seus resultados experimentais

e da sua interação com o sistema de gestão de energia e ativação da espoleta.

4.1 Protótipo

Uma vez efetuados os testes experimentais a cada bloco constituinte do sistema de

comunicação e controlo, procedeu-se à montagem do protótipo em placa. Nas figuras seguintes,

apresentam-se os esquemas elétricos dos circuitos dos protótipos para o microcontrolador com o

módulo HC-06 (Figura 4.1) e com o módulo RN-41 (Figura 4.2).

Figura 4.1 - Esquema elétrico do protótipo com o módulo HC-06.

38

Figura 4.2 - Esquema elétrico do protótipo com o módulo RN-41.

Nas figuras anteriores (Figura 4.1 e Figura 4.2), é possível observar, através das letras (A, B,

C, D, E, F, G e H), as interações do sistema de comunicação e controlo com o sistema de gestão de

energia e ativação. Com isto, verifica-se que:

A, B e C – As entradas analógicas do acelerómetro (A – eixo dos zz, B – eixo dos yy e C

– eixo dos xx);

D – A saída do sinal de ativação;

E – A alimentação do microcontrolador com 5V;

F – O referencial terra de todo o sistema;

G – A alimentação do módulo Bluetooth com 3,3V;

A alimentação do deslocador de nível é da responsabilidade do sistema de gestão de energia

bem como da referência para este circuito (letra H).

Pode observar-se o cristal de 16 MHz com os dois condensadores de 22 pF (C1 e C2) em

paralelo. Este circuito garante a frequência de relógio precisa do microcontrolador. A resistência (R5)

está ligada à tensão de alimentação positiva com objetivo de garantir o funcionamento do

microcontrolador.

Assim, no projeto deste protótipo, os elementos constituintes são:

1 microcontrolador ATMEGA328;

1 módulo de comunicações Bluetooth, (HC-06 e RN-41);

1 resistência de 10 kΩ;

2 resistências de 1 kΩ;

1 resistência de 100 Ω;

1 resistência de 50 Ω;

39

1 cristal de 16 MHZ;

2 condensadores de 22 pF;

2 transístores de junção bipolar BC549B;

4.2 Resultados experimentais

4.2.1 Sistema de comunicação e controlo

Uma vez efetuada a montagem do protótipo do sistema de comunicação e controlo,

procedeu-se à avaliação do seu desempenho. A fim de obter resultados conclusivos, fez-se um

levantamento das várias situações a que este sistema pode estar sujeito. Para esta análise, efetuou-

se a montagem sem o deslocador de nível pelo que se analisou a saída do terminal correspondente

do microcontrolador. Em seguida, analisou-se o comportamento do protótipo para as seguintes

situações:

Percurso normal – Os resultados experimentais apresentam o comportamento do

sistema de comunicação e controlo ao longo do percurso quando há deteção da variação

do movimento nos 3 eixos, seguido da contagem do tempo e envio do sinal de ativação.

Falha de tiro – Uma falha de tiro pode ser provocada por uma deficiência no mecanismo

de disparo ou, então, resultar da incorreta deflagração da carga de tiro. Numa situação de

falha de tiro, na maioria das vezes, o projétil mantém-se imóvel. Contudo, salvo raras

exceções, este pode sofrer uma ligeira variação do movimento no eixo principal.

Para os testes realizados nesta situação, considerou-se que esta variação é detetada

pelo acelerómetro dando-se início à contagem do tempo. Todavia, devido à inexistência

do movimento de rotação do projétil, considera-se falha de tiro.

Cancelamento da ativação da espoleta através da interface de comunicação – Caso

o operador pretenda cancelar a ativação da espoleta, poderá fazê-lo através da interface

de comunicação. Nesta situação, uma vez confirmado o cancelamento, o sistema de

comunicação e controlo desativa a deteção do sinal proveniente do acelerómetro. Desta

forma, não ocorre a contagem do tempo de voo e, consequentemente, o envio do sinal de

ativação.

40

4.2.1.1 Percurso normal

Para o estudo do percurso normal utilizou-se um gerador de sinais, que permitisse simular os

sinais correspondentes ao acelerómetro. A amplitude do sinal de saída do acelerómetro, na ausência

de aceleração do objeto, toma o valor de 4V, e após detetar o movimento este valor desce para 0V.

Numa primeira fase, o microcontrolador deteta a existência da variação do movimento no eixo

principal. Se se verificar a deteção, dá-se início à contagem do tempo de voo. Passados 50

milissegundos, verifica o aparecimento de sinal nos restantes dois eixos devido à existência de

movimento de rotação do projétil. Caso se verifique a deteção destes dois movimentos, no final da

contagem do tempo de voo, o microcontrolador envia o sinal para o deslocador de nível. Caso

contrário, é considerado falha de tiro pelo que a contagem do tempo de voo é interrompida e não há

envio do sinal para ativação.

Para a análise do percurso normal, utilizou-se a saída de um terminal do microcontrolador

para testar a deteção dos sinais correspondentes aos 3 eixos. Desta forma, definiu-se que, aquando

da deteção do movimento do eixo principal, este terminal emite um sinal com uma amplitude de 5V.

Depois da deteção do movimento correspondente à rotação, a amplitude deste sinal volta a 0V.

Para a verificação da contagem do tempo de voo, utilizou-se a saída de um outro terminal do

microcontrolador. No final da contagem, este terminal emite um pulso de amplitude 5V. Importa referir

que a configuração para este sinal apenas foi utilizada para testes, não correspondendo ao sinal a ser

enviado para o sistema de ativação da espoleta.

Na Figura 4.3, apresenta-se o resultado obtido com o tempo de voo configurado para 2

segundos. A cor violeta representa a saída do terminal do microcontrolador utilizada para testar a

deteção do movimento e a cor azul representa a saída do terminal do microcontrolador utilizado para

verificar o final da contagem do tempo de voo configurado.

Figura 4.3 - Resultado para o percurso normal.

De acordo com o resultado obtido, é possível verificar o correto funcionamento dos 3

terminais de CAD utilizados na deteção do movimento. No que diz respeito à contagem do tempo,

41

pode observar-se que o tempo decorrido entre a deteção do movimento no eixo principal e a geração

do impulso corresponde ao tempo configurado (2 segundos).

4.2.1.2 Falha de tiro

Em seguida, apresenta-se o resultado obtido para a situação considerada falha de tiro. As

condições para a realização desta situação são semelhantes à situação anterior. A única diferença é

o facto de não se ter simulado a variação de movimento nos eixos correspondentes ao movimento de

rotação. Na Figura 4.4, apresenta-se o resultado obtido, no qual a cor roxa representa a saída do

terminal do microcontrolador utilizado para a deteção da variação do movimento nos 3 eixos. A cor

amarela representa a saída do terminal utilizado na verificação do final da contagem do tempo de voo

configurado.

Figura 4.4 - Falha de tiro.

De acordo com o resultado obtido, pode observar-se que houve variação do movimento no

eixo principal. Porém, uma vez que não se verificou a deteção da variação do movimento nos eixos

correspondentes ao movimento de rotação do projétil, é considerado falha de tiro. Desta forma a

contagem do tempo de voo é interrompida e, consequentemente, não há envio do sinal para ativação.

4.2.1.3 Cancelamento da ativação

O cancelamento da ativação é uma funcionalidade do sistema de comunicação e controlo.

Esta resulta de uma decisão tomada pelo operador do obus através da interface de comunicação.

Uma vez efetuado o cancelamento, o bloco de controlo desativa o ADC. Assim, mesmo havendo

42

movimento, não se dá início à contagem do tempo de voo. Esta funcionalidade permite a extração da

munição do obus em segurança. Para a realização dos testes para esta situação, procedeu-se ao

cancelamento através da interface de comunicação entre o operador do obus com o sistema de

comunicação e controlo.

Na Figura 4.5 à esquerda, apresenta-se o resultado da interface de comunicação. Na Figura

4.5 à direita, apresenta-se o resultado obtido na análise do comportamento do bloco de controlo. A

cor azul representa a variação do sinal proveniente do acelerómetro. A cor amarela representa a

saída do terminal utilizado para testar a deteção do movimento. E, por fim, a cor violeta representa a

saída do terminal responsável pelo envio do sinal de ativação.

Figura 4.5 - Resultado do cancelamento da ativação.

De acordo com o resultado, pode-se afirmar que o cancelamento foi efetuado com sucesso.

Na Figura 4.5 à direita, observa-se a variação do sinal proveniente do acelerómetro (sinal

representado a azul). Contudo, através do sinal representado a amarelo, verifica-se que o ADC não

reage à variação do movimento. Assim, confirma-se o correto funcionamento desta funcionalidade.

4.2.2 Interação com o sistema de gestão de energia e ativação da espoleta

Para a obtenção dos resultados da interação com o sistema de gestão de energia e ativação

da espoleta, procedeu-se à montagem das ligações apresentadas no esquema relativo ao protótipo.

Na avaliação do desempenho do mesmo, após a autenticação e configuração do tempo de voo,

procedeu-se à verificação dos sinais provenientes do acelerómetro.

Contudo, na dificuldade em simular as acelerações a que o projétil estará sujeito no seu

percurso, não foi possível testar o comportamento dos 3 eixos numa situação real de tiro. Esta

43

dificuldade deve-se ao facto do acelerómetro estar dimensionado para as acelerações em situação

real. Na grande maioria das situações de falha de tiro, o projétil não sofre variação de movimento no

eixo principal. Desta forma, apenas se considerou a variação do movimento num eixo

(correspondente ao eixo principal) para dar início à contagem do tempo.

Na Figura 4.6, apresenta-se o resultado obtido para um tempo de voo configurado para 1

segundo. O sinal representado pela cor azul representa a saída do terminal de teste para a deteção

do sinal proveniente do acelerómetro do sistema de gestão de energia e ativação. A cor violeta

representa a saída do terminal do microcontrolador a enviar para o deslocador de nível. A cor

amarela representa a saída do deslocador de nível (correspondente ao sinal de ativação).

Figura 4.6 - Interação com o sistema de gestão de energia e ativação.

De acordo com o resultado obtido, pode observar-se o comportamento do sistema de

comunicação e controlo. Analisando a contagem do tempo de voo, é possível observar que o tempo

decorrido entre a deteção do sinal proveniente do acelerómetro (sinal representado na Figura 4.6 pela

cor azul) e o envio do sinal de ativação (sinal representado pela cor amarela) corresponde ao tempo

configurado para esta situação.

Analisando o funcionamento do deslocador de nível, observa-se que o sinal à saída deste tem

uma amplitude de 12V, enquanto o sinal à saída do terminal do microcontrolador responsável pela

ativação (representado pela cor violeta) tem uma amplitude de 5V. Assim, verifica-se o correto

funcionamento deste circuito.

44

Capítulo 5

5 Conclusões e trabalhos futuros

5.1 Conclusões

A participação do Exército Português na prevenção e combate aos incêndios surge no âmbito

das Missões de Interesse Público, definidas pelo Conceito Estratégico de Defesa Nacional. Em 2005,

resultado de uma parceria entre a Academia Militar e o Instituto Superior Técnico, surge o projeto

FIREND®. Este visa o desenvolvimento de uma munição de artilharia para ser utilizada no combate

aos incêndios.

O objetivo desta dissertação de mestrado consistiu no projeto e ensaio de um sistema de

comunicação e controlo de uma espoleta eletrónica. Este sistema tem, na sua constituição, um bloco

de controlo e um bloco de comunicação.

Numa fase inicial do trabalho, definiram-se os parâmetros do projeto FIREND® bem como as

funções de cada bloco do sistema. Em seguida, efetuou-se uma pesquisa dos módulos necessários

para o cumprimento dos parâmetros definidos.

Para o desenvolvimento do bloco de controlo, utilizou-se a plataforma Arduíno. Esta é uma

plataforma de prototipagem open-source que permite o desenvolvimento de sistemas de controlo. A

placa escolhida foi o Arduino Uno. Esta placa permitiu a programação do microcontrolador de acordo

com as tarefas definidas e a configuração dos módulos Bluetooth (nome, baudrate e o código de

emparelhamento).

As tarefas do sistema de comunicação e controlo são realizadas sequencialmente, o que

confere ao sistema uma maior robustez, uma vez que não permite a sobreposição de tarefas. Após a

inicialização dos parâmetros do microcontrolador, o operador do obus autentica-se de acordo com a

palavra-passe definida. Feita a autenticação, este procede à configuração do tempo de voo. Efetuada

esta configuração, o sistema de comunicação e controlo aguarda pelo sinal do acelerómetro.

O acelerómetro tem a capacidade de detetar a variação do movimento segundo 3 eixos. A

deteção dos sinais provenientes deste tem duas fases. Numa primeira fase, deteta o movimento na

direção da saída do obus (corresponde ao eixo dos zz). Caso se verifique essa deteção, inicia-se a

contagem do tempo. Numa segunda fase, para garantir o deslocamento do projétil, verifica a deteção

do movimento de rotação do projétil após a saída do obus (corresponde ao eixo dos xx e dos yy).

Desta forma, se se verificar essa deteção a contagem do tempo continua. Caso contrário, é

considerado falha de tiro e a contagem do tempo será interrompida. Com isto, não será enviado o

sinal de ativação para o sistema de gestão de energia e ativação da espoleta.

A contagem do tempo tem a sensibilidade de 1 milissegundo pelo que o operador do obus

pode introduzir um valor para o tempo de voo com precisão de 1 milissegundo. Com o objetivo de

obedecer aos parâmetros definidos para o sinal de ativação, foi necessária a implementação de um

deslocador de nível. Com isto, este sinal é um um sinal cuja amplitude no instante de ativação passa

de 0V para uma amplitude de 12V.

45

O cancelamento da ativação da espoleta é feita pelo operador do obus através da interface

de comunicação com o envio de um comando para o bloco de controlo.

Os resultados obtidos relativos aos testes do sistema de comunicação e controlo permitem

concluir que o sistema de comunicação e controlo funciona de acordo com os parâmetros definidos.

No entanto, aquando da interação com o sistema de gestão de energia e ativação da

espoleta, surgiram alguns problemas. A dificuldade em testar as acelerações a que o projétil estará

sujeito durante o seu movimento influenciou a análise do comportamento do sistema de comunicação

e controlo na deteção dos sinais provenientes do acelerómetro. Todavia, após ter considerado

apenas o eixo principal do acelerómetro, os resultados obtidos mostraram o correto funcionamento do

sistema de comunicação e controlo quando integrado no sistema de gestão de energia e ativação da

espoleta.

Concluí-se que o sistema de comunicação e controlo desenvolvido neste trabalho, apresenta

caraterísticas favoráveis à sua aplicação na espoleta da munição FIREND®.

5.2 Trabalhos futuros

O FIREND® é um projeto inovador pelo que é importante o seu desenvolvimento. No decorrer

deste trabalho, surgiram algumas temáticas que não correspondiam aos objetivos deste trabalho mas

que devem e merecem ser estudadas a fim de melhorar e comprovar a mudança para a utilização de

uma espoleta eletrónica em detrimento da espoleta mecânica.

Assim sendo, propõe-se para a realização de trabalhos futuros:

A análise do comportamento do protótipo em situações de tiro real;

A análise da viabilidade económica da utilização de um localizador.

Para a função do localizador, de acordo com as pesquisas efetuadas, a GlobalTop Technolgy

Inc. possui os seguintes módulos:

PA6C;

PA6H;

SL3C.

Por sua vez, a SIMCom, possui os seguintes módulos:

SIM908;

SIM548;

SIM968.

A principal vantagem da possível aplicação dos módulos apresentados é o facto de

possuirem ferramentas de desenvolvimento compatíveis com a plataforma Arduino. Assim, a sua

utilização poderá aumentar as funcionalidades deste sistema de comunicação e controlo.

46

Referências

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http://repositorium.sdum.uminho.pt/bitstream/1822/20250/1/Disserta%C3%A7%C3%A3o43418.p

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[18] RFID Journal, “Glossary of RFID terms,” 2002-2015. [Online].

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[22] NATO, Final report of NIAG SG.89 - Study on future fuzing technologies for ground targets,

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[23] M. Integrated, “Datasheet of MAXQ618,” 2012. [Online].

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Available: http://www.atmel.com/images/Atmel-8271-8-bit-AVR-Microcontroller-ATmega48A-

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[27] M. Integrated, “Datasheet of MAX2831/Max2832,” 2011. [Online].

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Available: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/rn-42-ds-v2.32r.pdf. [Acedido em

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[34] E. Português, Manual Obus 155mm M114A1.

[35] ACURA, “O que é identificação por rádio frequência!,” ACURA GLOBAL, 2014. [Online].

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http://uxoinfo.com/blogcfc/client/includes/uxopages/Mulvaney_Details.cfm?Ord_Id=PF14.

[Acedido em 24 Novembro 2014].

49

Anexo A – Programação do microcontrolador

Para a programação do microcontrolador, existem algumas tarefas que devem ser

executadas para que seja possível a utilização do código utilizado para a placa Arduíno.

O software de desenvolvimento (IDE) do Arduíno pode ser utilizado para programar o

microcontrolador. Contudo, é necessário gravar o bootloader do Arduíno no mesmo antes de ser

programado. O IDE do Arduíno possui esse bootloader. Assim, a sequência dos passos a executar é:

Obter o código correspondente ao bootloader, no IDE do Arduíno. Para tal, é necessário

selecionar Ficheiro→Exemplos→ArduínoISP. Na Figura A. 1, é possível observar esta

sequência.

Figura A. 1 - Gravação do bootloader.

Em Ferramentas, verificar que a porta utilizada corresponde à placa Arduíno e selecionar

Programador: “Arduino as ISP” (Figura A. 2).

50

Figura A. 2 - Verificação da porta e do programador.

Uma vez efetuados os passos anteriores, procede-se à montagem do microcontrolador

ATMEGA328. Na Figura A. 3, apresenta-se o esquema elétrico do microcontrolador e das

ligações necessárias à placa Arduíno para se proceder à gravação do bootloader. Neste

passo, a placa Arduíno ainda contém o microcontrolador integrado.

51

Figura A. 3 - Esquema elétrico para gravação do bootloader.

Efetuada a montagem elétrica do circuito apresentado, o próximo passo é gravar o

bootloader no microcontrolador selecionando “Gravar bootloader” em Ferramentas

(Figura A. 4). É importante verificar novamente a porta e o programador.

Figura A. 4 - Gravação do bootloader.

52

Uma vez gravado o bootloader no microcontrolador a programar, retira-se o

microcontrolador da placa Arduíno;

No final da execução das tarefas anteriores, a programação do microcontrolador procede-

se através do upload do código no microcontrolador, de acordo com o esquema elétrico

apresentado na Figura A. 5.

Figura A. 5 - Esquema elétrico para programação do microcontrolador.

53

Anexo B – Configuração dos módulos Bluetooth

Para a configuração dos módulos Bluetooth, utilizou-se a placa Arduíno. Em seguida apresenta-

se os passos para a configuração dos módulos Bluetooth.

RN-41

O primeiro passo é fazer o upload do código correspondente (disponível no Anexo D) na placa.

Em seguida, efetuam-se as ligações elétricas necessárias para a configuração. Na Figura B. 1,

apresenta-se o esquema elétrico para esta configuração.

Figura B. 1 - Configuração do módulo RN-41.

Depois de efetuadas as ligações elétricas, pressionar o botão RESET da placa. As instruções

para a configuração são:

SN,FIREND#1 (alteração do nome do módulo);

SU,96 (definição do baudrate);

SP,5355 (alteração do código PIN);

54

HC-06

Numa primeira fase da configuração, é necessário a criação de um terminal de comunicação

entre a placa Arduíno e o módulo Bluetooth. Para esta tarefa, utiliza-se o terminal disponível pelo IDE

do Arduíno.

O primeiro passo é fazer o upload do código (disponível no Anexo D) na placa. Em seguida,

efetuam-se as ligações elétricas necessárias para a configuração. Na Figura B. 2 , apresenta-se o

esquema elétrico para esta configuração.

Figura B. 2 - Configuração do módulo HC-06.

Uma vez efetuados estes passos, seleciona-se o monitor série no menu Ferramentas do IDE do

Arduíno (Figura B. 3).

55

Figura B. 3 - Terminal de comunicação.

Depois deste último passo, o terminal de comunicação entre a placa e o módulo Bluetooth

encontra-se ativo. Desta forma, é possível proceder-se à configuração. As instruções a inserir no

terminal são:

AT;

AT+NAMEFIREND#1 (onde o número que sucede o cardinal corresponde à referência);

AT+PIN5355;

56

Anexo C – Código do microcontrolador

boolean autentic = true;

boolean configure = false;

boolean adc = false;

boolean contagem = false;

int tempo = 0;

unsigned long time;

String password; // receção da palavra passe

String pass = "firend1"; // definição da palavra passe

char inChar; //letra a receber para a desativação

int sec = 0; //segundos

int msec = 0; //milissegundos

int val = 0; //eixo dos zz

int val1 = 0; //eixo dos yy

int val2 = 0; //eixo dos xx

void setup()

Serial.begin(9600); // inicialização do baudrate 9600bps

delay(100);

Serial.println("FIREND!"); // testa comunicação

delay(100);

pinMode(8, OUTPUT);//configura pino 14 do controlador para testar deteção

pinMode(7, OUTPUT);//configura pino 13 do controlador para ativacao

pinMode(5, INPUT);//eixo dos zz

pinMode(4, INPUT);//eixo dos yy

pinMode(3, INPUT);//eixo dos xx

void loop()

if (autentic) //testa palavra passe introduzida

Serial.println("Insira a palavra passe:");

while (Serial.available() == 0) //Aguarda pela introdução da palavra passe

password = Serial.readString();

if (password.equals(pass))

57

autentic = false;

configure = true;

delay(100);

Serial.println("Autenticação efetuada com sucesso.");

delay(100);

Serial.println("Configuração do tempo de voo");

Serial.print("Introduza os segundos:");

else

delay(100);

Serial.println("Tenta outra vez");

if (configure) //configuração do tempo do voo

while (Serial.available() == 0) //Aguarda pela configuração

sec = Serial.parseInt();

Serial.println(sec);

delay(100);

Serial.print("Introduza os milissegundos:");

while (Serial.available() == 0)

msec = Serial.parseInt();

delay(100);

Serial.println(msec);

Serial.print("Configurado para ");

delay(100);

Serial.print(sec);

Serial.print(" segundos e ");

Serial.print(msec);

Serial.println(" milissegundos.");

delay(100);

Serial.println("Para confirmar - S.");

delay(100);

58

Serial.println("Para reconfigurar prima outra tecla.");

delay(100);

while (Serial.available() == 0) //confirmação da configuração

inChar = Serial.read();

if (inChar == 'S' || inChar == 's')

Serial.println("Configurado com sucesso");

configure = false;

Serial.println("Está a espera do sinal");

adc = true;

time = millis();

else

Serial.println("Configuração do tempo de voo");

Serial.print("Introduza os segundos:");

if (adc) //aguarda pela deteção do acelerómetro

val = analogRead(5); //eixo dos zz

if (val < 102)

Serial.println("Detetou movimento no eixo principal");

digitalWrite(8, HIGH);

delay(50);

//Esta parte do código corresponde à análise do movimento de rotação do projétil

/* val1 = analogRead(4);//eixo dos yy

val2 = analogRead(3);//eixo dos xx

if (val1 < 102 && val2 >102 )

Serial.println("Detetou movimento de rotação");

adc = false;

contagem = true;

digitalWrite(8, LOW);

59

else

Serial.println("Falha de tiro");

adc = false;

autentic = true;

*/

adc = false;

contagem = true;

if (contagem) //inicia a contagem do tempo de voo

tempo = (sec * 1000) + msec - 50;

Serial.println("Começou a contagem");

delay(tempo);

Serial.println("Acabou");

digitalWrite(7, HIGH);

adc = false;

contagem = false;

void serialEvent() //aguarda a introdução da letra e para desativação

while (Serial.available() > 0)

inChar = Serial.read();

Serial.println("Introduziu a letra:");

Serial.println(inChar);

delay(10);

if (inChar == 'e' || inChar == 'E')

Serial.println("Para cancelar a ativação - prima a tecla S.");

delay(10);

Serial.println("Para continuar - prima outra tecla.");

delay(10);

while (Serial.available() == 0)

inChar = Serial.read();

if (inChar == 'S' || inChar == 's')

60

Serial.println("Cancelado com sucesso");

adc = false;

else

Serial.println("Está a espera do sinal");

adc = true;

61

Anexo D – Código para a configuração dos módulos de

comunicação

Neste anexo, apresentam-se os códigos para a configuração dos módulos de comunicação.

RN-41

#include <SoftwareSerial.h>

int Tx = 2;

int Rx = 3;

SoftwareSerial bluetooth(Tx, Rx);

void setup()

Serial.begin(115200);

bluetooth.begin(115200);

bluetooth.print("$");

bluetooth.print("$");

bluetooth.print("$");

delay(100);

bluetooth.println("SN,FIREND#1");

bluetooth.println("SP,5355");

bluetooth.println("SU,96");

void loop()

HC-06

#include <SoftwareSerial.h>

SoftwareSerial mySerial(3, 2);

String command = "";

void setup()

Serial.begin(9600);

Serial.println("Introduza os comandos para configurar o modulo HC-06:");

mySerial.begin(9600);

void loop()

if (mySerial.available())

while (mySerial.available())

62

command += (char)mySerial.read();

Serial.print(command);

command = "";

if (Serial.available())

delay(10);

mySerial.write(Serial.read());