PLANEJAMENTO DE ROTAS REALIZADAS POR VANTS NA COBERTURA DE REGIÕES AGRÍCOLAS Luís Guilherme Ribeiro – Universidade Estadual de Ponta Grossa – UEPG –
[email protected] Luiz Pedro Petroski – Universidade Estadual de Ponta Grossa – UEPG –
[email protected] Maria Salete Marcon Gomes Vaz– Universidade Estadual de Ponta Grossa – UEPG –
[email protected]
Resumo Este artigo tem como objetivo apresentar o desenvolvimento de uma aplicação web que realiza o planejamento de rotas realizadas por VANTS na cobertura de regiões agrícolas. Para tanto, foi realizado um estudo de caso do plano de voo, realizados os cálculos para obter a escala, resolução e sobreposição de imagens aéreas. Foi usada a Ferramenta API do Google, e utilizando a Linguagem JavaScript, foi desenvolvido uma aplicação que mostra a área de cobertura, o número de imagens necessário para cobertura da área agrícola, baseado em waypoints, com navegação autônoma do VANT em uma trajetória pré-definida. Além disso, o aplicativo permite interatividade em tempo real, podendo ser alterados os parâmetros de voo. A plataforma web possui responsividade, podendo ser executada em diversos dispositivos móveis e plataformas. Com os dados geradas pelo VANT e construído um mosaico da região agrícola, o agrônomo pode obter o controle completo da lavoura realizando o sensoriamento remoto, auxiliando com rapidez no controle de pragas e doenças. Palavras-chave: planejamento de rotas, VANTs, imagens aéreas, sensoriamento remoto.
PLANNING ROUTES PERFORMED BY UAVs IN COVERAGE OF AGRICULTURAL REGIONS Abstract This paper aims to present the development of a web application which route planning performed by UAS in covering of agricultural regions. Therefore, it was performed a case study of the flight plan, conducted the calculations for the scale, resolution and overlapping of the aerial images. Google API Tool was used, which using the JavaScript language, has developed an application that shows the coverage area, the number of images needed to cover the agricultural area, based on waypoints, with autonomous navigation of UAV in a pretrajectory defined. In addition, the application allows real-time interactivity and changed the flight data. This web has responsivity and can be run on several mobile devices and platforms. With the data generated by the UAV and built a mosaic of agricultural area, the agronomist can get full control of the crop performing remote sensing, helping quickly to control pests and diseases. Key words: route planning, UAVs, aerial images, remote sensing. 1. Introdução Atualmente, os VANTs - Veículos Aéreos Não Tripulados estão em crescimento tecnológico em diferentes áreas. Na agricultura, os VANTs são empregados na observação de culturas e no mapeamento gerado por imagens aéreas, imprescindíveis para o sensoriamento remoto na agricultura de precisão. Congresso Agropecuário, Industrial e Tecnológico do Paraná 2016 – CONAITEC 2016
Os VANTs são úteis na agricultura de precisão, porém podem ter limitações relacionadas ao peso de carga, velocidade, condições do clima e autonomia de voo. Para suprir limitações, é necessária a otimização da missão de voo, com desempenho eficaz, mapeamento de regiões de cobertura, com captura de imagens, dentro do limite de tempo. A missão de voo deve ser planejada, garantindo rota segura e respeitando as exigências impostas pelas condições internas e externas da aeronave. O objetivo deste trabalho é apresentar o desenvolvimento de uma ferramenta de plano de voo baseada em waypoint, com a navegação autônoma do VANT em uma trajetória pré-definida com pontos de coleta de informações. 2. Material e Métodos Através dos waypoints gerados, é possível obter informações da missão, como tempo, quantidade de imagens geradas, resolução e área de cobertura. Para o desenvolvimento da ferramenta, foi necessário o uso de uma API do Google Maps para construção do mapa e obteção dos dados de informações geográficas. Nas subseções seguintes são descritos os materiais e métodos para criação da ferramenta. 2.1. Plano de Voo O plano de voo define a sequência de manobras a serem executadas pela aeronave durante a missão (CARVALHO, 2014), constituído pelas coordenadas dos pontos de passagem (waypoints) e pela velocidade da aeronave para deslocamento os pontos. Todo plano de voo possui um ponto de passagem inicial, uma velocidade de deslocamento, um rumo e uma duração. O plano de voo é concluido e bem sucedido, quando essas etapas são concluidas conforme suas especificações. Cada aeronave possui um conjunto de características que precisam ser consideradas no plano de voo, tais como a velocidade que pode ser operada, o consumo de combustível, a capacidade de combustível armazenada a bordo, e o consumo e a capacidade das fontes de energia elétrica para os equipamentos embarcados. 2.3. Desenvolvimento da Ferramenta A ferramenta foi desenvolvida para plataforma web, para facilidade de acesso e flexibilidade de uso em diferentes plataformas. Foram utilizadas três linguagens web: HyperText Markup Language – HTML, para o interfaceamento, Cascading Style Sheets – CSS, para estilização, e o JavaScript – JS, para estabelecimento da interação usuário/aplicação. O Java Script é uma linguagem de programação interpretada, implementada como parte dos navegadores web, interage com o usuário sem a necessidade do script executar no servidor, realiza comunicação assíncrona e altera o conteúdo do documento exibido (DANESH, 1996), tornando a aplicação mais eficiente e interativa. 2.3.1. Escala de uma fotografia vertical Escala é a razão entre uma distância medida em um mapa/desenho e a distância correspondente no terreno (TOMMASELLI, 2009). Um mapa é uma projeção ortográfica da superfície do terreno, onde todos os pontos estão em suas verdadeiras posições horizontais, indicando que a escala de um mapa é uniforme em qualquer posição. Congresso Agropecuário, Industrial e Tecnológico do Paraná 2016 – CONAITEC 2016
Figura 1: Representação da escala de uma foto vertical. Fonte: disponível em < http://nptel.ac.in/courses/105104100/lectureC_30/images/2a-visio.gif >.
A Figura 1 mostra um corte em uma fotografia aérea vertical, com o centro perspectivo da lente da câmera em L. A altitude da câmera sobre o datum vertical é chamada de altitude de vôo (H). O terreno é considerado plano com uma altitude h em relação ao datum. O ponto o é o ponto principal da fotografia; a distância Lo, da foto até as lentes, é a distância focal. A escala da fotografia é a relação entre as distâncias ab/AB, dos triângulos semelhantes, conforme Equações 1 e 2. ab/AB = f/(H-h)
(1)
Eh = f / (H-h)
(2)
Portanto:
onde: Eh é a escala para a altitude h, f é a distância focal e H é altitude de vôo. 2.3.2. PPI e Resolução da Imagem Pixel por polegada – PPI (pixels per inch, em inglês) é uma medida de impressão espacial, nomeada o número de pixels individuais (ABELSON, 2000), podendo ser colocados em uma linha, no espaço, de 1 polegada, correspondente a 2,54 cm ou 0,0254 m, conforme a Equação 3. X = PPI / 0,0254
(3)
Onde, X é a quantidade de pixels por metro, e PPI é o número de pixels por polegada. Como a imagem na tela é formada pela justaposição de pequenos pontos quadriculados, os pixels, a resolução é medida pela quantidade de pixels que há na área da imagem. Por exemplo, com 300 PPI, utilizando a equação (3) fica: 300/0,0254 = 11811 px Então, tem-se que X corresponde a 11811 pixels por metro.
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2.3.3. Tamanho da imagem Após a obtenção da escala, do PPI e da resolução da imagem é possível obter o tamanho da área que cada imagem será capaz de cobrir. Para obtenção da largura e da altura que a imagem vai cobrir, são utilizadas as Equações 4 e 5. Largura = (LRes / X ) * Eh
(4)
Altura = (ARes / X ) * Eh
(5)
Onde, LRes e ARes são largura e altura da resolução, respectivamente, X é a quantidade de pixel por metro e Eh é a escala. 2.3.4. Sobreposição
de 55% a 65% sobre as fotos tiradas, longitudinalmente, e de 20% a 40% sobre as fotos sobrepostas latitudinalmente. Com o aumento dos , aumentará . P , tempo de voo do veí .C haver interferência . do terreno mapeado e somente há aumento n variar O disparo entre duas foto
(CASSEMIRO et al, 2014).
intervalo. 2.3.5. API Google A Interface de Programação de Aplicações – API, da Google, é uma ferramenta open source para desenvolvedores web, trabalhando com o Java Script e tem o objetivo de auxiliar aplicações que necessitam de localizações geográficas online. Neste projeto foi utilizado a Versão 3.0, que possui carregamendo do mapas atuais e disponibiliza algumas funções fundamentais para o desenvolvimento do aplicativo. Por exemplo, tamanho de uma área delimitada, gerar waypoints, desenhar formas geométricas e marcar coordenadas. Uma ferramenta fundamental disponilizada pela API foi a desenho livre, onde o usuário insere um conjunto de pontos gerando um polígono, que representa a área de cobertura agrícola.
3. Resultados e Discussões Congresso Agropecuário, Industrial e Tecnológico do Paraná 2016 – CONAITEC 2016
Neste trabalho, foi desenvolvido um aplicativo web que realiza o planejamento de missão aérea, com uma interface de usuáro com entrada de parâmetros (Figura 2).
Figura 2: Interface de Usuário. Fonte: Desenvolvido pelo autor.
Através da aba de navegação, no lado direito da Figura 2, o usuário insere os parâmetros de acordo com suas especificações e plano de voo. Com a altitude de voo e distância focal da lente obtem-se a escala vertical da imagem. E com a resolução, PPI e sobreposições, obtem-se o tamanho de cada imagem e o lugar exato de cada waypoint. O aplicativo resulta informações relevantes para a realização de um planejamento de voo (Figua 3). Os dados da missão mostram a área de cobertura, o número de imagens necessárias para cobrir a área e todos os waypoints e suas coordenadas, respectivamente.
Figura 3: Dados gerados pelo aplicativo Fonte: Desenvolvido pelo autor.
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Com as informações, o usuário pode obter estimativas do tempo de duração da missão, qual a velocidade para captura das imagens e a quantidade de imagens adquirida. Todas essas informações são fundamentais para a construção do mosaico. Atualmente, dos poucos softwares planejadores de missões aéreas disponíveis no mercado, o mais conhecido é o Mission Planner, corresponde a uma estação de controle de solo para o veículo aéreo (ARDUPILOT, 2016), para Plataforma Windows, restringindo ao usuário a utilização em diferentes dispositivos. A contribuição deste trabalho foi desenvolvido de uma ferramenta para plataforma web, compatível a qualquer sistema operacional, para desktop e para dispositivos móveis. Que é de grande importância para missões agrícolas onde geralmente são de difícil acesso, Além disso depois da captura das imagens e construção do mosaico o agricultor pode obter o controle da lavoura remotamente. 4. Conclusões e Perspectivas de Trabalhos Futuros O Aplicativo apresenta resultados precisos, fundamentais para a tomada de decisão para planejamento de missões aéreas e construção do mosaico das imagens aéreas agrícolas. As vantagens comparado a sistemas existentes, é que se trata de uma plataforma web possuindo ampla compatibilidade em diferentes plataformas, além disso é um sistema responsivo tornando flexível o uso em dispositivos móveis. Como perspectivas de trabalhos futuros, pretende-se aperfeiçoar este aplicativo, realizando a comunicação com o VANT em tempo real, com apoio de um protocolo de comunicação. Referências ABELSON, M. N. Parameters for digital imaging. Part 1. Am J orthod dentofacial orthop, St. Louis, v. 118, no. 5, p. 580- 582, Nov. 2000. ARDUPILOT, TEAM. Mission Planner http://ardupilot.org/ >Acesso em: 24 ago. 2016.
Overview,
2016.
Disponível
em:
<
CARDOSO – UnB – Brasil, 2013. CASSEMIRO, COM DRONE.
– UnB – Brasil, 2014.
DANESH, A. Teach Yourself JavaScript in a Week. Editora: Sams Net, ISBN 1-57521-0738, 1996.
, UFAM,
, Manaus-AM.
. [S.l.]: UNESP - Universidade Estadual Paulista, 2009. Congresso Agropecuário, Industrial e Tecnológico do Paraná 2016 – CONAITEC 2016
