PT104783B - Sistema de posicionamento de elevada precisão adaptado a uma plataforma móvel terrestre - Google Patents

Abstract

O PRESENTE INVENTO REFERE-SE A UM SISTEMA DE POSICIONAMENTO TRIDIMENSIONAL DE ELEVADA PRECISÃO, BASEADO NA UTILIZAÇÃO DO SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL (GPS), O QUAL É ADAPTADO A UMA PLATAFORMA MÓVEL TERRESTRE, TAL COMO UM VEÍCULO TODO-O-TERRENO, BUGGY OU MOTO-QUATRO, PERMITINDO A MONITORIZAÇÃO EFICIENTE DA TOPOGRAFIA DA SUPERFÍCIE DO TERRENO. ESTE INVENTO RECORRE A UTILIZAÇÃO DE TÉCNICAS DE GEODESIA ESPACIAL, NOMEADAMENTE DO SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL (GPS) EM ASSOCIAÇÃO COM TECNOLOGIA LASER E AINDA UMA UNIDADE INERCIAL, COM OBJECTIVO DE POSICIONAR ELEMENTOS MORFOLÓGICOS DA SUPERFÍCIE DO TERRENO. NESTE SISTEMA SÃO ANULADOS OS ERROS DE POSICIONAMENTO ASSOCIADOS À VARIAÇÃO DA ORIENTAÇÃO DO VEÍCULO (ATITUDE), EM FUNÇÃO DAS VARIAÇÕES DO DECLIVE DO TERRENO, ASSIM COMO OS ERROS DE POSICIONAMENTO DE DIFÍCIL CALIBRAÇÃO ASSOCIADOS A VARIÁVEIS DO PRÓPRIO VEÍCULO, NOMEADAMENTE À SUSPENSÃO, À VARIAÇÃO DA PRESSÃO DOS PNEUS E À PENETRAÇÃO DIFERENCIAL DOS PNEUS NO SOLO, MUITO FREQUENTE EM PRAIAS ARENOSAS, EM FUNÇÃO DE VARIAÇÕES DE HUMIDADE E DE COMPACTAÇÃO. O NÍVEL DE PRECISÃO ALCANÇADO É IGUAL OU SUPERIOR A 0,05 M EM TODAS AS COMPONENTES DO POSICIONAMENTO. OS CAMPOS DE APLICAÇÃO DO INVENTO SÃO VÁRIOS DESTACANDO-SE A ÁREA DOS LEVANTAMENTOS TOPOGRÁFICOS REALIZADOS EM AMBIENTES LITORAIS, PARTICULAR MENTE EM PRAIAS ARENOSAS, EMBORA TAMBÉM POSSA SER APLICADO NOUTROS CAMPOS, NOMEADAMENTE NO ACOMPANHAMENTO TOPOGRÁFICO DA CONSTRUÇÃO DE ESTRADAS. É CARACTERIZADO POR COMPREENDER UMA ESTRUTURA RÍGIDA DE SUPORTE DE EQUIPAMENTO CONSTITUÍDA POR UM BRAÇO PRINCIPAL METÁLICO (1), COM UM ELEMENTO EXTENSÍVEL NO SEU EXTREMO (2) QUE SUPORTA UM DISTANCIÓMETRO LASER (3) FIXO NA EXTREMIDADE INFERIOR DESSE ELEMENTO EXTENSÍVEL, UMA ANTENA GPS (4) ACOPLADA A UM BASTÃO (5) FIXO NA EXTREMIDADE SUPERIOR DESSE ELEMENTO EXTENSÍVEL, E RESPECTIVO RECEPTOR GPS (6), UMA UNIDADE DE SENSORES INERCIAIS COM TRÊS ACELERÓMETROS E TRÊS GIROSCÓPIOS DISPOSTOS NUM SISTEMA DE EIXOS TRIDIMENSIONAL ORTOGONAL E COM UM SENSOR DE TEMPERATURA INCLUÍDO PARA COMPENSAÇÃO (7), MONTADO SOBRE UMA PLATAFORMA METÁLICA (8), NESSE BRAÇO PRINCIPAL, E ORIENTADA SEGUNDO AS DIRECÇÕES DOS EIXOS LONGITUDINAL E TRANSVERSAL DO VEÍCULO, E DOIS BRAÇOS SECUNDÁRIOS (9 E 10) LIGADOS AO BRAÇO PRINCIPAL (1), E A UMA BARRA DISPOSTA SEGUNDO O EIXO LONGITUDINAL DO VEÍCULO (11), BRAÇOS ESSES QUE SUPORTAM DUAS ANTENAS GPS (12 E 13), ACOPLADAS A BASTÕES (14 E 15) FIXOS NESSES BRAÇOS, ANTENAS ESSAS QUE SE ENCONTRAM LIGADAS A DOIS RECEPTORES GPS (16 E 17), E AINDA UMA UNIDADE DE RECOLHA SÍNCRONA E ARMAZENAMENTO DE DADOS (18) À QUAL SE LIGAM O DISTANCIÓMETRO, OS RECEPTORES GPS E A UNIDADE DE SENSORES INERCIAIS.

Description

inerciais.

DESCRIÇÃO

SISTEMA DE POSICIONAMENTO DE ELEVADA PRECISÃO ADAPTADO A UMA PLATAFORMA MÓVEL TERRESTRE

Campo da invenção

A presente invenção pertence ao domínio do posicionamento tridimensional de elevada precisão, realizado por plataformas terrestres móveis, para servir propósitos de topografia. Este invento recorre a utilização de técnicas de geodesia espacial, nomeadamente do Sistema de Posicionamento Global (GPS) em associação com tecnologia laser e ainda uma unidade inercial, com objectivo de posicionar elementos morfológicos da superfície do terreno, com um nível de precisão da ordem dos 0.05 m, independentemente da variação da orientação do veículo, ou seja da sua atitude. Os campos de aplicação do invento são vários destacando-se a área dos levantamentos topográficos realizados em ambientes litorais, particularmente em praias arenosas, embora também possa ser aplicado noutros campos, nomeadamente no acompanhamento topográfico da construção de estradas.

Actualmente, ainda são considerados pontuais os casos em que são realizados estudos técnicos regulares relativos a cartografia de pormenor em ambientes de praia emersa, com vista à avaliação das variações morfológicas da

- 2 praia e quantificação de volumes sedimentares. Quando realizados, os objectivos desses estudos relacionam-se, frequentemente, com estabelecimento das bases topográficas necessárias para a realização de obras de defesa costeira, como é o caso de esporões, ou no caso de portos com a quantificação de volumes sedimentares retidos a barlamar de molhes, tendo em conta as actuais exigências na gestão ambiental de sedimentos.

No contexto de trabalhos de investigação científica são também pouco frequentes os casos em que levantamentos topográficos da praia são executados no âmbito de programas regulares de monitorização ao longo de vários anos. Os resultados desses levantamentos, elaborados muitas vezes no âmbito de teses de mestrado ou de doutoramento e cessando de seguida, visam frequentemente, estabelecer taxas de erosão costeira, caracterizar do ponto de vista morfodinâmico as praias estudadas, analisar o impacte de temporais e de grupos de temporal, definir índices de vulnerabilidade e inerentes riscos costeiros.

As técnicas aplicadas tanto num caso como no outro ainda são ainda muito rudimentares, face aos desenvolvimentos técnicos mais recentes.

As bases para a estratégia de gestão integrada da zona costeira nacional defendem, num documentos elaborado por despacho do Ministério do Ambiente, do Ordenamento do Território e do Desenvolvimento Regional (Despacho

- 3 η°19 212/2005), entre outros aspectos, a intensificação das medidas de salvaguarda de riscos naturais por via da monitorização e também assegurar a monitorização continua através da utilização de metodologias inovadoras, uniformes e abrangentes, que alimentem uma base de dados nacional. De facto, as alterações climáticas, a pressão antrópica sobre o litoral e os evidentes processos de erosão litoral que se manifestam em diversos trechos do litoral motivam a cada vez maior necessidade de um acompanhamento rigoroso, eficiente e produtivo que seja exequível a custos comportáveis, de modo a permitir o desejável acompanhamento regular da evolução da zona costeira.

Neste contexto, os autores do presente invento consideram que o mesmo poderá dar um contributo muito válido, no que diz respeito à monitorização topográfica de elevada precisão, com vista ao estabelecimento de modelos de elevação do terreno, na faixa litoral, com particular destaque em praias arenosas. O presente invento apresenta inegáveis vantagens, em termos de custos, relativamente a sistemas aéreos de monitorização topográfica e de produtividade e eficiência relativamente aos tradicionais sistemas de monitorização topográfica de base terrestre.

Em virtude de uma cada vez mais premente necessidade de quantificar as diversas variáveis que afectam uma zona com fortes e complexas dinâmicas naturais e antrópicas, o invento que foi desenvolvido poderá servir como uma metodologia de trabalho no âmbito de trabalhos

- 4 técnicos ou de investigação. A generalização do uso desta invento, no contexto apresentado, poderá servir como uma fonte de informação para a criação de bases de dados, as quais possam servir como um contributo válido para que decisores políticos, responsáveis da administração pública central e local, agentes económicos e especialistas possam fundamentar as suas decisões.

Face aos motivos expostos os autores do invento consideram existir um potencial técnico e um interesse económico no invento, o qual deve ser devidamente salvaguardado.

Apesar dos desenvolvimentos técnicos que ocorreram nas últimas décadas a monitorização topográfica de praias arenosas com vista ao estabelecimento de modelos de elevação do terreno, representativos das morfologias presentes, é escassa e dispendiosa. As técnicas aplicadas, embora precisas, são pouco produtivas em virtude de serem realizadas a pé. De referir, neste contexto, que a estação total e o teodolito, como Sistemas de Posicionamento Local (LPS) , continuam a ser utilizados de forma generalizada em Portugal em muitos outros países, em estudos realizados por empresas de topografia, de cartografia de pormenor ou ainda por universidades.

Só muito recentemente metodologias de monitorização mais eficientes começaram a ser desenvolvidas, como é o caso daqueles que aplicam o Sistema

- 5 de Posicionamento Global (GPS). As técnicas GPS têm precisões similares às técnicas LPS, com a vantagem da aquisição de dados poder ser feita em modo cinemático, sendo por conseguinte ideais para funcionarem acopladas a plataformas móveis. Em ambientes litorais as variações de declive do terreno afectam a orientação do veiculo (atitude) e induzem erros na determinação da posição, dada pela antena GPS montada sobre a estrutura do veiculo, processada relativamente a uma estação de referência local. Por conseguinte, os sistemas de monitorização constituídos por uma única antena montada sobre uma plataforma móvel como aqueles que são referidos por Plant e Holman (1997) e Haxel e Holman (2004) têm um nível de precisão inferior ao das técnicas LPS. Para determinar a atitude do veículo e eliminar esses erros foram desenvolvidos os sistemas GPS multi-antena montados sobre a plataforma móvel, os quais consistem em duas ou preferencialmente três antenas montadas num sistema ortogonal sobre o veículo (Groat, 2000; List et al., 2006). Contudo, as plataformas móveis, como é o caso de veículos todo-o-terreno ou moto-quatro, afectam a precisão das medições GPS devido a diversas variáveis, inerentes ao veículo e de difícil calibração, mesmo quando são usados sistemas multi-antena GPS, tal como refere Lancker et al. (2004) . Neste sistemas, como as antenas GPS são montadas sobre o veículo, a variação da suspensão do veículo durante o trajecto ou a variação da penetração do veículo no solo, em função da compactação diferencial do terreno, muito comum em ambientes de praia arenosa induzem erros no posicionamento de elementos

- 6 morfológicos do terreno, os quais podem atingir 0,10 m na componente vertical (Lancker et al. (2004) . Se a esses erros for adicionados os erros do próprio GPS será de admitir um erro na componente vertical do posicionamento, a mais importante para as avaliações morfológicas, da ordem dos 0,15 m. Esse erro pode-se considerar excessivo e desencorajador para uma desejada generalização da utilização de plataformas móveis em estudos que visem estabelecer modelos de elevação do terreno com base em grelhas de perfis obtidas por este método, justificando assim o facto de actualmente, no contexto mundial, a utilização de sistemas GPS em plataformas móveis estar praticamente restrita ao estudo do recuo da linha de costa, numa perspectiva a 2D. A utilização de antenas GPS montadas numa estrutura anexa à plataforma móvel auxilia a evitar esses erros (Cunha, 2002; Baptista et al., 2008). Contudo,

em virtude	da	estrutura	anexa ao veículo contactar
directamente	com	o solo,	ocorre uma	diminuição	do
desempenho	do	veículo	e consequente	redução	da

produtividade no levantamento.

O presente invento anula os inconvenientes do sistema anterior, na medida em que as antenas GPS são montadas sobre uma estrutura anexa ao veículo a qual não tem contacto físico com a superfície do terreno. Nesta estrutura anexa é montado entre outros sensores um distanciómetro laser de cadência elevada e com um tempo de aquisição de medida de distância muito curto (da ordem do milisegundo), que permite medir a distância à superfície do

- 7 terreno com rigor muito elevado. A precisão final deste sistema GPS multi-antena é da ordem dos 0,05 m na componente vertical, igualando a precisão das tradicionais técnicas de posicionamento local, para um nível de desempenho incomparavelmente superior.

O presente invento visa, por conseguinte, cobrir uma lacuna na área da topografia de elevada precisão. Como sectores de intervenção de destacar as que dizem respeito à monitorização do litoral. No entanto a sua aplicação não se esgota nessa área de intervenção. Os levantamentos topográficos realizados por empresas de topografia e engenharia que realizam acompanhamento de obras públicas e privadas beneficiariam muito com um sistema de levantamento topográfico de base terrestre de baixo custo e eficiente como aquele que foi desenvolvido.

Estado da técnica

O estudo de diversos processos relacionados com a caracterização morfodinâmica, impacte de temporais e erosão costeira, em praias arenosas, requer que seja efectuada a aquisição de dados topográficos, os quais em muitos casos devem ser obtidos no âmbito de programas regulares de posicionamento de elementos morfológicos representativos da morfologia do terreno.

De acordo com as caracteristicas da zona de estudo e as escalas temporal e espacial envolvidas, várias

- 8 técnicas de monitorização podem ser consideradas, com vista à aquisição de dados, os quais após interpolação permitem a geração de modelos de elevação do terreno (DEM - Digital Elevation Models). Distinguem-se dois grupos principais de técnicas, nomeadamente as técnicas de base aérea e as técnicas de base terrestre.

No contexto das técnicas de base aérea de referir o sistema Laser Aéreo de Varrimento (ALS - Airborne Laser Scanning) , o qual permite a monitorização eficiente de vastas regiões num curto período de tempo.

No que diz respeito às técnicas de base terrestre de referir os Sistemas de Posicionamento Local (LPS - Local Positioning System), que recorrem ao teodolito e à estação total. Estas técnicas apresentam sempre limitações em termos de produtividade, uma vez que estão dependentes de um elemento, a mira, transportado a pé pelo operador, o qual tem de ser estacionado em cada um dos pontos que se pretendem levantar. A precisão destes sistemas é da ordem dos 0.05 m.

O recurso ao Sistema de Posicionamento Global (GPS - Global Positioning System) em modo diferencial (Differential GPS) ou em tempo real (RTK - Real Time Kinematics GPS) representa vantagens em relação aos anteriores pois permite a aquisição de dados em modo cinemático contínuo, ou seja o operador não necessita de parar para fazer o registo. A precisão destas técnicas, da

- 9 ordem dos 0,03 e 0,04 m em planimetria e altimetria respectivamente, é considerada muito promissora para o posicionamento de elementos da superfície do terreno.

As metodologias de monitorização que recorrem a antenas GPS montadas em plataformas móveis, como é o caso de veículos todo-o-terreno ou moto-quatro, apresentam vantagens, em termos de produtividade, relativamente a metodologias de transporte a pé da antena.

No que diz respeito as metodologias de transporte de antenas GPS em veículos, a mais simples é aquela em que uma única antena é montada sobre o veículo (Plant and Holman 1997; Haxel and Holman 2004). A precisão alcançada na determinação da posição é condicionada pelas variações de inclinação do terreno, as quais afectam a atitude do veículo segundo duas componentes principais, a inclinação lateral (roll) e o mergulho (pitch). Como exemplo, se for considerando um veículo que transporta uma antena à altura de 1,5 m relativamente ao solo, é de esperar erros na determinação da posição, de 0,13 m, em planimetria e de 0.006 m, em altimetria, para um ângulo de inclinação da superfície do terreno de 5° relativamente a um plano horizontal de referência.

Os sistemas multi-antena GPS, que consistem na utilização de duas ou três antenas montadas sobre o veículo, permitem determinar os vectores directores das direcções entre as várias antenas, e por conseguinte,

- 10calcular a atitude do veículo, de acordo com as variações de inclinação que este sofre ao longo do trajecto, eliminado assim os erros inerentes à variação da inclinação do terreno (Groat, 2000; Cunha, 2002; List et ai., 2006; Baptista et ai., 2008).

Os sistemas multi-antena continuam, contudo, a ser afectados por outro tipo de erros inerentes ao facto das antenas serem montadas directamente sobre a estrutura do veículo. Uma vez que o objectivo se relaciona com a determinação das coordenadas do solo e tendo em conta que as antenas GPS são montadas sobre a carroçaria, a distância entre o centro de fase das antenas, cujas coordenadas são conhecidas, e a superfície do terreno, é afectada por diversas variáveis de difícil calibração. Como exemplo, uma vez que os veículos todo-o-terreno usam pneus com câmarade-ar, variações na pressão dos pneus entre sucessivas campanhas, numa mesma área de estudo, pode afectar a análise dos resultados. A própria variação da temperatura atmosférica afecta o volume de ar contido nos pneus. As variações na suspensão do veículo quando em movimento também afectam a precisão das medidas. Outras variáveis, dizem respeito às variações da resistência do solo ao peso do veículo, as quais podem afectar a penetração dos pneus, e consequentemente induzir erros na componente vertical do posicionamento GPS. A variação da resistência do solo é um aspecto frequente em praias arenosas, devido a variações do seu grau de humidade e de compactação, ao longo de um mesmo perfil transversal. Como consequência destas variáveis, e

- 11 de acordo com Lancker et al., (2004), são de esperar erros no posicionamento da ordem dos 0,10 m, quando se recorre a antenas GPS montadas em veículos.

No que diz respeito a patentes na área do invento de referir aqueles que são desenvolvidos em plataformas aéreas como é o caso de US 5 557 397 de Hyde et al. , (1996) sobre um sistema de monitorização montado numa plataforma aérea que recorre a um altímetro laser, um laser scanning, receptor GPS, uma câmara vídeo, computadores e software para posicionamento e determinação das coordenadas tridimensionais de alvos discretos no terreno e da topografia do terreno e de US 5 894 323 de Kain et al., (1999) sobre um sistema de detecção adequado para a obtenção de imagens da superfície do terreno, a partir de uma plataforma aérea, recorrendo a receptores GPS, a uma unidade de sensores inerciais (IMU) e sensores direccionais tais como uma ou mais câmaras para a obtenção de imagens da superfície do terreno. No contexto das patentes que são registadas com base em inventos desenvolvidos em plataformas terrestres de referir a US 5 519 620 de Talbot et al., (1996) sobre o desenvolvimento de um sistema de posicionamento com precisão ao nível do centímetro recorrendo a uma estação fixa e a uma estação móvel nas quais são utilizados quatro receptores GPS e um link para comunicações; e US 5 990 809 de Howard, (1999) sobre um sistema de monitorização hidrográfica que recorre a um veículo submergível no qual é adaptado uma antena GPS; e a US 6 633 814 de Kohli, et al., (2003) sobre um sistema de

- 12navegação para veículo recorrendo ao processamento de medidas de código.

presente invento diz respeito a um sistema integrado de posicionamento o qual inclui três receptores GPS, um distanciómetro laser e uma unidade de sensores inerciais, montados numa estrutura metálica adaptada lateralmente numa plataforma móvel. Um dos receptores GPS permite, por processamento em modo diferencial, com uma estação de referência local, a determinação com elevada precisão das coordenadas do centro de fase da antena montada no veiculo. 0 distanciómetro laser permite o cálculo da distância à superfície do terreno. Os vários receptores GPS permitem obter as coordenadas dos vectores entre antenas GPS, cujas distâncias são constantes, de que resulta a determinação da atitude do veículo. A unidade de sensores inerciais visa aumentar a robustez na determinação da atitude.

Este invento tem como objectivo restringir as fontes de erro inerentes ao posicionamento tridimensional de elevada precisão, quando efectuado em plataformas móveis terrestres, apenas aos que são devidos ao GPS quando opera em modo diferencial cinemático, (da ordem dos 0,03 e 0,04 m em planimetria e altimetria respectivamente), e aos que são devidos à medição do distanciómetro laser, (inferiores a

0,01 m) .

- 13Uma vez que neste invento o cálculo da distância à superfície do terreno é feita por um distanciómetro laser, de elevada cadência, e com um tempo de aquisição de medida de distância muito curto, da ordem do milisegundo, as diversas variáveis do veículo que afectam o posicionamento, principalmente na sua componente vertical, são eliminadas, como é o caso da variação da pressão dos pneus, das variações induzidas pela dinâmica do movimento na suspensão do veículo e da variação da resistência do solo ao peso do veículo.

Este invento poderá ainda apresentar vantagens relativamente a outros sistemas multi-antena GPS montados em plataformas móveis, na medida em que no presente caso apenas é exigido que um dos receptores seja um receptor de elevado desempenho, ou seja de frequência dupla, receptor esse que permite a determinação, em modo diferencial, relativamente a uma estação de referência local, das coordenadas do centro de fase, ou da base de uma das antenas acopladas lateralmente ao veículo. Os restantes dois receptores e respectivas antenas são utilizados apenas como instrumentos auxiliares para a determinação da atitude da estrutura de suporte do equipamento, bastando para o efeito que sejam de médio desempenho, ou seja de frequência simples. As vantagens em utilizar receptores de frequência simples traduzem-se em termos de custos, uma vez que uma solução deste tipo representa uma redução significativa no custo dos equipamentos GPS. No entanto, estes poderão ser, naturalmente, também de frequência dupla.

- 14Este invento anula ainda outros inconvenientes dos sistemas multi-antena tradicionalmente montados directamente sobre veículos, uma vez que no presente caso, o sistema multi-antena é montado lateralmente, no veículo, permitindo assim delinear morfologias do terreno, como é o caso de cristãs de bermas, escarpas de erosão talhadas na praia, ou limite de espraio da onda, em condições de segurança para o veículo e para o seu operador. Neste invento o operador visualiza e acompanha lateralmente as morfologias que pretende posicionar, à medida que desloca o veículo no terreno.

Por último de referir as vantagens de um sistema de monitorização montado numa plataforma móvel terrestre, relativamente a plataformas aéreas, quando o objectivo se relaciona com o estabelecimento de programas regulares de monitorização. 0 menor custo e a facilidade em colocar em acção meios de monitorização em praticamente todas as condições atmosféricas poderão representar vantagens no processo de monitorização. Por outro lado o levantamento por meios terrestres goza de outra vantagem relacionada com a possibilidade de fazer aquisição em simultâneo com o levantamento topográfico de amostras sedimentares, muito útil para uma caracterização morfodinâmica.

- 15Descrição detalhada da invenção

Sistema de posicionamento tridimensional, da morfologia da superfície do terreno, de elevada precisão para ser usado em modo de navegação num veículo terrestre, o qual é caracterizado por compreender uma estrutura rígida de suporte de equipamento constituída por um braço principal metálico, com um elemento extensível no seu extremo que suporta um distanciómetro laser fixo na extremidade inferior desse elemento extensível, uma antena GPS acoplada a um bastão fixo na extremidade superior desse elemento extensível, e respectivo receptor GPS, uma unidade de sensores inerciais com três acelerómetros e três giroscópios dispostos num sistema de eixos tridimensional ortogonal e com um sensor de temperatura incluído para compensação, montado sobre uma plataforma metálica, nesse braço principal, e orientada segundo as direcções dos eixos longitudinal e transversal do veículo, e dois braços secundários ligados ao braço principal, e a uma barra disposta segundo o eixo longitudinal do veículo, braços esses que suportam duas antenas GPS, acopladas a bastões fixos nesses braços, antenas essas que se encontram ligadas a dois receptores GPS, e ainda uma unidade de recolha síncrona e armazenamento de dados à qual se ligam o distanciómetro, os receptores GPS e a unidade de sensores inerciais.

Assim o sistema de posicionamento alvo do presente invento é caracterizado por ser um conjunto de

- 16equipamentos electrónicos montados numa estrutura de suporte que pode ser adaptada a um veículo todo-o-terreno, equipamentos esses que enviam os dados adquiridos para uma unidade de recolha de forma síncrona e armazenamento, a qual inclui hardware desenvolvido para esse fim. Este sistema é concebido especialmente para que o posicionamento da superfície do terreno não seja afectado por nenhum elemento físico do veículo ou associado à dinâmica do veículo em movimento.

presente invento é seguidamente descrito em pormenor, sem carácter limitativo e a título exemplif icativo, por meio de uma sua forma de realização preferida, representada nos desenhos anexos, nos quais:

- a fig. 1 é uma representação em perfil esquemático e simplificado de uma concretização do sistema integrado de monitorização, de acordo com o invento; e

- a fig. 2 é uma representação em planta do dito sistema integrado de monitorização.

Fazendo referência às figuras, vai ser agora descrita a concretização preferida do invento, o qual consiste num conjunto de equipamentos, que enviam dados para uma unidade de recolha de forma síncrona e armazenamento de informação, e que se encontram acoplados a uma estrutura de suporte, a qual é adaptada a um veículo do tipo motoquatro. É feita a descrição da estrutura de

- 17suporte e do equipamento, da forma como essa estrutura é adaptada ao veiculo, e da arquitectura adoptada para a montagem do equipamento, de acordo com as representações efectuadas nas figuras.

A estrutura de suporte que serve para montagem dos diferentes equipamentos electrónicos que constituem o sistema de posicionamento é uma estrutura externa ao veículo, e que se fixa neste em vários pontos de apoio. Esta estrutura, inclui um braço principal metálico (1), alinhado segundo a direcção do eixo transversal do veículo e fixo a uma barra metálica (11), esta última alinhada segundo a direcção do eixo longitudinal do veículo. No interior desse braço existe um segundo braço deslizante (2), que permite um prolongamento em cerca de 2/3 do comprimento do braço principal, este último com 0.90 m de extensão. O segundo braço, deslizante, poderá ser fixo um qualquer ponto do seu curso, por intermédio de dois parafusos.

No extremo superior do braço extensível é montado um bastão (5) que permite acoplar uma antena GPS (4) . O bastão apresenta uma altura suficiente para que não ocorram interferências à recepção do sinal na antena GPS, por parte de qualquer elemento físico do veículo ou seu operador. Na extremidade inferior desse braço é fixa uma chapa metálica (não representada) por intermédio de dois parafusos, a qual serve para acoplar um distanciómetro laser (3) . A fixação da chapa metálica ao braço é feita não por furos, mas por

- 18rasgos que permitem que a sua fixação possa ser ajustada lateralmente, ao longo da componente horizontal do braço extensível, permitindo assim que o local onde se encontra o ponto emissor do laser seja alinhado, segundo a direcção da vertical, com o eixo do bastão (5) colocado na extremidade superior desse braço, e consequentemente com a antena GPS (4) .

Sobre o braço principal (1) existe uma plataforma metálica (8) que permite acondicionar uma unidade de sensores inérciais com três acelerómetros e três giroscópios dispostos num sistema de eixos tridimensional ortogonal e com um sensor de temperatura incluído para compensação (7), cujos eixos principais se encontram alinhados com as direcções dos eixos longitudinal e transversal do veículo.

A estrutura de suporte de equipamento inclui ainda dois braços secundários (9 e 10) . Cada um desses braços encontra-se fixo, num dos lados, a um dos extremos da barra metálica que se encontra alinhada segundo a direcção do eixo longitudinal do veículo (11), e do lado oposto, encontra-se fixo ao braço principal (1). Com esta disposição forma-se uma estrutura de suporte de equipamento com geometria triangular. Na face superior de cada um dos braços secundários são fixos dois bastões (14 e 15) de dimensões idênticas ao bastão que suporta a antena GPS de dupla frequência (5), que permitem acoplar duas antenas GPS (12 e 13) .

- 19A estrutura de suporte de equipamento com geometria triangular foi desenvolvida para ser amovível, de montagem lateral, podendo optar-se por a fixação ser efectuada do lado direito ou esquerdo do veículo. Para essa fixação são montadas sobre a carroçaria do veículo duas barras metálicas transversais (19 e 20), recorrendo a elementos semi-rígidos de fixação à carroçaria (22 e 23) de modo a garantir a resistência da estrutura rígida de suporte do equipamento a eventuais movimentos de torção da carroçaria. Nos extremos de cada uma dessas barras metálicas existem duas ranhuras perfuradas que permitem o encaixe da estrutura metálica de suporte de equipamento.

Os locais de encaixe ao veículo, na estrutura metálica de suporte de equipamento, possuem uma corrediça disposta na vertical e perfurada em vários pontos (24), a qual permite a inserção nas ranhuras das barras metálicas

montadas sobre a	carroçaria	do	veículo	(19	e 20)	, inserção
essa que pode	ser feita	a	várias	alturas	distintas,
relativamente ao	solo. Após	a	inserção	é	feita	a fixação

mediante parafusos com porca (não representados).

A estrutura metálica de suporte de equipamento é ainda suportada por um varão transversal extensível (21), que encaixa num dos lados à parte inferior do braço principal (1) da dita estrutura metálica e do outro lado ao chassis do veículo, através de um pino de fixação (26). Do lado oposto do chassis é montado um contrapeso (25) sob uma barra metálica (27) disposta segundo o eixo transversal do

-20veículo, posições variação principal contrapeso esse que pode ser ajustado ao longo do curso dessa barra, em da posição do elemento extensível (2) colocado do lado oposto do veículo.

em várias função da do braço

Os receptores GPS (6, 16 e 17), o distanciómetro laser (3) e a unidade de sensores inerciais (7) estão ligados a uma unidade de recolha síncrona e armazenamento de dados (18), montada sobre a carroçaria do veículo, a qual tem possibilidade de comunicação via interface RS232 ou RS485 com os receptores GPS (6, 16 e 17), com o distanciómetro laser (3) e com a unidade de sensores inerciais (7) . O controlo do funcionamento dos receptores GPS (6, 16 e 17) e do distanciómetro laser (3) é efectuado através de trocas de mensagens segundo protocolos específicos. O armazenamento de dados é efectuado em memória não volátil (flash) com capacidade para 24 horas de registos em contínuo.

Uma característica fundamental para o bom funcionamento deste sistema durante um largo período temporal diz respeito ao seu isolamento do meio exterior. Como as áreas de estudo são na zona litoral, o nível de humidade e de salitre é muito elevado, o que impede a utilização de computadores portáteis ou equivalentes. Assim, a unidade de recolha síncrona e armazenamento de dados (18) encontra-se protegida numa caixa hermética, em alumínio com tratamento anti-oxidação e com isolamento.

-21Salienta-se, ainda, a importante necessidade de sincronização dos dados dos sensores. Os receptores GPS (6, 16 e 17) determinam, para além da posição, uma estimativa de tempo muito precisa (no sistema de tempo GPS). Em contrapartida, o distanciómetro laser (3) e também a unidade de sensores inerciais, apenas envia sucessivas medidas sem qualquer indicação do tempo em que ocorreram, pelo que foi necessário considerar, na concepção do sistema de recolha e armazenamento, a sincronização dos dados do distanciómetro. Para tal foi utilizado um sinal de sincronismo (1PPS) enviado por um dos receptores GPS que é processado, a muito baixo nível, por um micro-controlador (não representado), integrado no sistema de recolha síncrona, que faz a gestão do sistema de armazenamento. 0 micro-controlador (PIC18F458), configura ainda o equipamento ligado ao sistema, e recolhe deste os dados relevantes, e armazena-os. Todos os sensores comunicam com o micro-controlador através de uma quad-UART que paraleliza as comunicações RS232 (ou RS485 com conversão para RS232).

Uma interface de LEDs de sinalização (não representada) indica ao operador informação sobre o estado de preenchimento da memória, sobre o estado de actividade dos sensores e sobre o estado de gravação. 0 operador pode, através de um simples botão, começar uma nova sessão de gravação de dados, ou terminar a sessão corrente. Todas as sessões são individualizadas no sistema de armazenamento de dados, como se de ficheiros se tratasse.

-220 funcionamento deste sistema de posicionamento baseia-se essencialmente na integração da informação adquirida pelos vários sensores montados sobre a estrutura de suporte. Um dos receptores GPS (6) é utilizado para a determinação da posição tridimensional, com elevado rigor, do topo do bastão principal (5) do sistema. A antena GPS (4) respectiva situa-se no topo desse bastão, cuja base é ocupada pelo distanciómetro laser (3).

A antena GPS (4) funciona em modo diferencial, ou seja, as posições obtidas por essa antena são processadas relativamente a uma estação de referência local (não representada), permitindo, por conseguinte, efectuar posicionamento absoluto de elevada precisão.

Na base do bastão principal situa-se o distanciómetro laser (3) cujo feixe fora alinhado com o bastão principal (5). Este sensor tem a capacidade de medir até 1000 amostras por segundo, a distâncias que variam entre 30 cm a 4 metros, e com um rigor superior a 1 cm. Assim, e estando o bastão principal (5) na vertical, conhecendo-se as coordenadas do topo do bastão desse bastão, dadas pelo receptor GPS (6) e respectiva antena GPS (4), conhecendo-se o comprimento do bastão (5) e a distância da base deste ao solo, dada pelo distanciómetro laser (3) determina-se com elevada precisão as coordenadas do ponto do solo que está directamente por baixo do sistema.

-23Como não é possível manter a posição vertical do bastão (5) que suporta a antena GPS (4), durante o levantamento, uma vez que as variações de inclinação do terreno induzem uma variação da inclinação do veículo e consequentemente da estrutura de suporte externa ao veículo, é necessário medir a sua inclinação à medida que o sistema vai percorrendo a área em estudo. Para tal utilizam-se duas antenas GPS adicionais (16 e 17), as quais permitem definir em conjunto com a antena GPS (4) que está alinhada com o distanciómetro (3), um triângulo. Tendo em conta que as várias antenas (4, 12 e 13) estão fixas a bastões (5, 14 e 15) sobre a estrutura de suporte, são constantes e conhecidas as distâncias entre as antenas, pelo que o processamento dos vectores directores entre as antenas é facilitado. A variação destes vectores directores reflecte a variação da inclinação do bastão principal (5), pois a estrutura das antenas é solidária com este. Determina-se assim a inclinação do bastão principal relativamente à direcção vertical local, o que permite determinar com rigor, por simples análise de geometria, as coordenadas do ponto do solo visado pelo distanciómetro laser (3).

Este sistema de posicionamento pode ter várias modificações, nomeadamente no que diz respeito a estrutura de suporte de equipamento e ao modo como é feita a adaptação à plataforma móvel, de acordo com as caracteristicas particulares do veículo, em cada caso.

-24Referências:

Baptista, P., Bastos, L., Bernardes, C. , Cunha, T. , and Dias, J., 2008. Monitoring sandy shore morphologies by DGPS—a practical tool to generate digital elevation models.

Journal of Coastal Research 24(6):1516-1528.

Cunha, T., 2002. High Precision Navigation Integrating Satellite Information - GPS - and Inertial System Data. Porto, Portugal: Faculty of Engineering of the University of Porto, PhD. thesis, 223p.

Groat, C.G., 2000. U.S. Geological Survey: Facing the New Century, Sea Technology, V. 41 No.l, pp. 45-47.

Haxel J.H., Holman, R.A., (2004) . The sediment response of a dissipative beach to variations in wave climate. Marine Geology 206, 73-99.

Lancker V., Lanckneus J., Hearn S., Hoekstra P., Levoy F., Miles J., Moerkerke G., Monfort O., Whitehouse R., (2004). Coastal and nearshore morphology, bedforms and sediment transport pathways at Teignmouth (UK) . Continental Shelf Research 24, 1171-1202.

List, J.H., Farris, A.S., and Sullivan, C., 2006. Reversing storm hotspots on sandy beaches: Spatial and temporal characteristics. Marine Geology 226:261-279.

-25Plant, N.G. and Holman, R.A., 1997. Intertidal beach profile estimation using video images. Marine Geology, 140,

1-24 .

Lisboa, 12 de Outubro de 2010

Claims (9)

1. - 1 REIVINDICAÇÕES

   1. Sistema posicionamento tridimensional, da morfologia da superfície do terreno, de elevada precisão para ser usado em modo de navegação num veículo terrestre, o qual é caracterizado por compreender uma estrutura rígida de suporte de equipamento constituída por um braço principal metálico (1), com um elemento extensível no seu extremo (2) que suporta um distanciómetro laser (3) fixo na extremidade inferior desse elemento extensível, uma antena GPS (4) acoplada a um bastão (5) fixo na extremidade superior desse elemento extensível, e respectivo receptor GPS (6), uma unidade de sensores inerciais com três acelerómetros e três giroscópios dispostos num sistema de eixos tridimensional ortogonal e com um sensor de temperatura incluído para compensação (7), montado sobre uma plataforma metálica (8), nesse braço principal, e orientada segundo as direcções dos eixos longitudinal e transversal do veículo, e dois braços secundários (9 e 10) ligados ao braço principal (1), e a uma barra disposta segundo o eixo longitudinal do veículo (11), braços esses que suportam duas antenas GPS (12 e 13), acopladas a bastões (14 e 15) fixos nesses braços, antenas essas que se encontram ligadas a dois receptores GPS (16 e 17), e ainda uma unidade de recolha síncrona e armazenamento de dados (18) à qual se ligam o distanciómetro, os receptores GPS e a unidade de sensores inerciais.
2. 2. Sistema de posicionamento tridimensional de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por a estrutura rígida de suporte de equipamento, ser fixa ao veículo através de um varão metálico transversal de apoio (21) e duas barras metálicas montadas sobre a carroçaria (19 e 20) recorrendo a elementos semi-rigidos de fixação à carroçaria (22 e 23) .
3. 3. Sistema de posicionamento tridimensional de acordo com a reivindicação 1 e 2 caracterizado por a estrutura rígida de suporte de equipamento ser amovível e poder ser montada no veículo a várias alturas (24).
4. 4. Sistema de posicionamento tridimensional de acordo com a reivindicação 1 a 3 caracterizado por a estrutura de suporte de equipamento estar associada a um contrapeso de ajuste lateral (25), que é móvel e se pode montar do lado esquerdo ou direito do veículo, numa barra de fixação situada sob o chassis (27).
5. 5. Sistema de posicionamento tridimensional de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por possuir uma unidade de recolha síncrona e armazenamento de dados (18) a qual efectua o controlo de funcionamento dos receptores GPS (
6. 6, 16 e 17), do distanciómetro laser (3) e da unidade de sensores inerciais (7), através de trocas de mensagens segundo protocolos específicos.

   -36. Sistema de posicionamento tridimensional de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por possuir uma unidade de recolha síncrona e armazenamento de dados (18) a qual efectua a sincronização temporal, relativamente ao referencial de tempo do sistema GPS, fornecido pelos receptores GPS, através do sinal 1PPS e respectiva etiqueta temporal, enviado por RS232, dos dados recebidos dos receptores GPS (6, 16 e 17), do distanciómetro laser (3) e da unidade de sensores inerciais (7).
7. 7. Sistema de posicionamento tridimensional de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por possuir uma estação GPS adicional.
8. 8. Sistema de posicionamento tridimensional de acordo com a reivindicação 1 e 7 caracterizado por um dos receptores GPS ser de dupla frequência (LI e L2) e os restantes receptores serem de dupla frequência (LI e L2) ou apenas de frequência simples (Ll).
9. 9. Sistema de posicionamento tridimensional de acordo com a reivindicação 1 e 11 caracterizado por o dito receptor GPS seleccionado para funcionar em modo diferencial (6, 16 ou 17) fornecer, em pós processamento, para cada instante de tempo, coordenadas tridimensionais precisas (através da aplicação de algoritmos que fixam a ambiguidade da portadora do sinal GPS) do centro de fase,

   -4ou da base da traject