SISTEMA DE LOCALIZAÇÃO E NAVEGAÇÃO APOIADO POR GPS

SISTEMA DE LOCALIZAÇÃO E NAVEGAÇÃO APOIADO POR GPS Júlio Kiyoshi Hasegawa Mauricio Galo João Francisco Galera Monico Nilton Nobuhiro Imai Unesp – Universidade Estadual Paulista / Departamento de Cartografia FCT - Faculdade de Ciências e Tecnologia Rua Roberto Simonsen 305, CP 957 CEP 13060-900, Presidente Prudente, SP {hasegawa,galo,monico,nnimai}@prudente.unesp.br

RESUMO O Sistema de Posicionamento Global (GPS) permite uma grande variedade de aplicações civis e militares. Dentre as várias aplicações, uma de especial interesse é a navegação. Em algumas cidades dos Estados Unidos, Japão e outros países da Europa, carros de passeio contam com um sistema para auxiliar o motorista durante o seu deslocamento. Neste trabalho pretende-se mostrar a implementação do protótipo de um sistema de navegação baseado na integração de dados provenientes de um receptor GPS portátil em uma base de dados geográficos armazenada em um computador portátil. A posição instantânea do veículo é mostrada na tela do computador, sobre um mapa da região, juntamente com a identificação automática do logradouro. A identificação do logradouro é feita por buscas na base de dados, permitindo ao usuário identificar logradouros de interesse, os quais são realçados na tela a medida que o veículo se movimenta. Este protótipo vem sendo aprimorado e otimizado de modo a permitir a inclusão de outras entidades do mundo real, tais como prédios públicos, hospitais, etc.

ABSTRACT The GPS allows for a great variety of civil and military applications. Among the range of applications, one of special interest is the navigation. In some cities of United States, Japan and others countries in Europe, cars equipped with a system that help the driver to navegate are available. The aim of this work is to describe the development of a navigation system prototype based on the integration of one portable GPS data in a geographic database. The visualization of one portion of the database and the real time positioning of the vehicles are performed, assuming that all coordinates were transformed to coordinate of the database system. The system developed also allows the automatic identification of street names, which can be highlighted on the screen. The prototype described has to be improved to optimize some search on the database and to allow new features as, for example, emphasize some entities of interest to the user (public buildings, hospitals, etc) while the vehicle is moving. 1. INTRODUÇÃO O Sistema de Posicionamento Global (GPS) tem permitido uma grande variedades de aplicações civis e militares (muito utilizado na guerra do Golfo – 1991, por exemplo). Seu grande potencial na viabilização de aplicações que envolvam o posicionamento rápido e acurado vem sendo explorado nas mais diversas áreas do conhecimento. O sistema é composto por uma constelação de 24 satélites distribuídos em seis planos orbitais localizados aproximadamente a 20000 km de altitude (Figura 01).

Figura 01: Constelação do GPS. HASEGAWA, J. K.; GALO, M.; MONICO, J. F. G.; IMAI, N. N. Sistema de localização e navegação apoiado por GPS; In: XX Congresso Brasileiro de Cartografia. Recife – PE, 1999. CD-ROM.

Os sinais enviados pelos satélites GPS são capturados na superfície terrestre por equipamentos apropriados (receptores GPS), permitindo a determinação da posição 3D; solução que só é possível se pelo menos quatro satélites forem sintonizados simultaneamente pelo receptor. Dentre as técnicas de posicionamento pode-se considerar o posicionamento por ponto e o posicionamento relativo (MONICO, 1998), ilustrados nas Figuras 02 e 03, respectivamente. Satélite 2 Satélite 3 3 Satélite 4

Satélite 1

Receptor Móvel

Figura 02: Posicionamento absoluto (por ponto)

bases cartográficas digitais, sendo proposto um método, denominado Método dos Retângulos Equivalentes (MRE), para a avaliação da qualidade geométrica destas bases. Em (MACEDO & CAMPOS, 1998) é mostrada a implementação de um sistema desta natureza na qual é feito o interfaceamento entre o GPS e um sistema CAD. Neste trabalho, apresenta-se a implementação de um sistema de navegação e identificação das vias públicas baseado na integração de um receptor GPS portátil em uma base de dados geográficos. Esta base contém, até o presente momento, informações de posição e nomes das vias públicas de uma certa região. Desta forma, a idéia é desenvolver um sistema, que combine o posicionamento por GPS, com localização e visualização simultâneas, permitindo assim a navegação em “tempo real”. O protótipo apresentado está sendo desenvolvido num computador portátil (notebook), como ilustra a Figura 04, ao qual está conectado ao receptor GPS (Garmin 12 XL).

Satélite 2 Satélite 3

Satélite 1

Satélite 4

Receptor Móvel

Receptor Fixo

Figura 03: Princípio do posicionamento relativo.

Dentre as várias aplicações, uma de especial interesse é a navegação. Em algumas cidades dos Estados Unidos, Japão e outros países da Europa, carros de passeio já contam com um sistema para auxiliar o motorista durante o deslocamento do veículo. Em alguns sistemas, pode-se otimizar a trajetória considerando diferentes critérios, como por exemplo as condições de trânsito numa determinada via. Num sistema desta natureza, um mapa digitalizado da região é mostrado na tela do computador de bordo e a posição do veículo é apresentada em “tempo real”, a partir da posição determinada pelo GPS. Em (FERREIRA, 1998) é descrito com detalhes um sistema de navegação com esta natureza, denominado CENT (Cartas Eletrônicas de Navegação Terrestre). Um dos pontos importantes abordado nesta referência é a questão da avaliação da qualidade de

Figura 04: Componentes do sistema de navegação. 2. DESCRIÇÃO DO SISTEMA O sistema consiste, basicamente, de uma combinação de posicionamento por GPS, sistema de localização e visualização automática das ruas, juntamente com seu nome, utilizando-se da estrutura de um banco de dados e ferramentas de CAD, conforme o modelo esquemático simplificado mostrado na Figura 05. O esquema da Figura 05 mostra que deve ser feita a integração das informações provenientes da base de dados e as informações de posição obtidas em tempo real. Em função das necessidades do usuário e da disponibilidade do sistema pode-se fazer consultas específicas e, finalmente, fazer a visualização de uma porção da base de dados com a posição instantânea do

veículo, seja um automóvel, uma aeronave, uma embarcação, etc. Posicionamento GPS

Base de Dados

Integração na Base de Dados

Consulta conforme demanda do usuário Visualização Simultânea Figura 05: Estrutura básica de um sistema de posicionamento e locomoção. O detalhamento do esquema apresentado na Figura 05 é mostrado na Figura 06. Receptor GPS

Base de dados Geográficos

Sinal proveniente do receptor GPS

Estabelecimento da Comunicação GPS à PC

Extração de informações da base de dados

Sinal "bruto" (ASCII)

Extração das coordenadas Geodésicas

O receptor utilizado neste trabalho é um receptor de navegação da Empresa Garmin Inc. e o protocolo de comunicação entre o receptor GPS e o notebook, pela porta serial RS-232, foi feito considerando o padrão NMEA, versão 182. As mensagens são transmitidas, pelo rastreador, em blocos (frame) constituídos por vários caracteres, sendo os blocos iniciados pela string $GP. Como exemplo de um bloco de mensagem transmitida tem-se: $GPN51.6RT30823D18.04'S051D14.26'W@. Do bloco de informações anterior são retirados os valores de ϕ=23o 18.04’ e λ=051o 14.26’, que são as coordenadas geográficas (ϕ, λ) transmitidas com resolução da ordem do centésimo (0.01) do minuto. Os parâmetros de transmissão, que devem ser configurados tanto no rastreador quanto no programa de recepção, são: • velocidade de transmissão (baund rate): 1200 a 9600 bps (bits/s); • tamanho do caracter transmitido: 7 ou 8 bits; • intervalo de transmissão: 1 segundo ou maior; e • Padrão do arquivo gerado: ASCII (American Standart Code for Information Interchange). Na implementação realizada, considerou-se a taxa de transmissão de 4800bps, caracteres de 7 bits e intervalo de transmissão de 1 segundo. Para mais detalhes sobre formatos de transmissão consulte MACEDO & CAMPOS (1998).

(ϕ,λ)

Conversão para o sistema de coordenadas e Datum da base de dados

Looping até que o processo deja abortado

Os receptores GPS transmitem sinais em diversos formatos. Um dos protocolos mais utilizados são aqueles desenvolvidos e padronizados pelo National Marine Eletronic Association (NMEA). Dentre os formatos NMEA, pode-se ter várias versões, como por exemplo: NMEA 0180, NMEA 0182, e NMEA 0183.

(E,N,Fuso)

Visualização de uma porção do base de dados com a posição instantânea

O sistema implementado é processado utilizando-se da propriedade multi-tarefa do Windows. Assim, o módulo que faz a captura do sinal proveniente do Receptor GPS, pela porta RS-232 é processado no sistema operacional DOS, cujo programa foi desenvolvido na linguagem C, explorando as suas interrupções. 2.2. MÓDULO DE CONVERSÃO COORDENADAS E DE DATUM

Tela gráfica

Figura 06: Estrutura básica do protótipo de navegação. 2.1 MÓDULO DE RECEPÇÃO DO SINAL GPS

DE

Um vez feita a comunicação entre o receptor GPS e o notebook e obtida as coordenadas geodésicas, o próximo passo é a compatibilização dos Data e dos sistemas de coordenadas. O fluxo apresentado na Figura 07 ilustra este módulo.

calcula a posição instantânea a partir das coordenadas enviadas pelo GPS (navegação), cujo erro de posicionamento está em torno de 100 metros (com uma probabilidade de 95%).

GPS Captura do Sinal via DOS

S

Continua?

Numa primeira etapa, localiza-se os segmentos de retas, descritas pelos nós (extremidades dos eixos das vias públicas), que pertencem ou interceptam um quadrado (bounding box) que envolve o ponto rastreado (localizado no centro do quadrado), como mostra a Figura 08.

N

Decodificação do sinal Fim (ϕ,λ) Programa Geo/UTM (N,E)

Retas pertencentes ao bounding box

Figura 07: Módulo de conversão dos dados (envolvido pelas linhas pontilhadas).

Retas não pertencentes ao bounding box

Figura 08: Seleção de segmentos de reta.

As coordenadas dos pontos existentes na base de dados são referidas ao sistema plano retangular UTM, e no Datum SAD-69. Como as coordenadas geodésicas obtidas do rastreador são referidas ao Datum WGS84, é necessário a conversão para as coordenadas plano retangulares no Datum SAD-69 (IBGE, 1998). O programa implementado considera a seguinte seqüência de transformações:

Esta operação possibilita a seleção de algumas retas (traço contínuo na Figura 08), diminuindo-se assim o processamento em função da diminuição do espaço de busca. Desta forma, somente as arestas ou seguimentos de retas que pertençam à caixa limitante são analisadas. A reta ou aresta de interesse é aquela cuja distância ao ponto rastreado seja mínima, como ilustra a Figura 09.

 ϕ X X  ϕ N λ       ⇒ Y ⇒T ⇒ Y ⇒ λ ⇒  E           HWGS84  ZWGS84 Z SAD69 HSAD69 HSAD69

sendo T=(∆X ∆Y ∆Z)t o vetor de translação entre as origens do sistema WGS-84 e SAD-69 (IBGE, 1988). Na transformação de coordenadas geodésicas para coordenadas UTM, último passo da seqüência de transformações mostrada acima, utiliza-se a formulação apresentada em BLACHUT et al. (1979), na qual o sistema Transverso de Mercator ( TM ) é usado como sistema intermediário. 2.3. POSICIONAMENTO DO RASTREADO SOBRE A VIA PÚBLICA

Coordenadas do ponto Rastreado (P) i=0 Posições das extremidades de cada aresta i (Vi1,Vi2)

Cálculo da distância de P à reta de extremos (Vi1,Vi2) P DPi DPi

PONTO

Uma vez obtida a posição pelo rastreador e feita a homogeneização das coordenadas pode-se, simplesmente, mostrar este ponto sobre o mapa. No entanto, devido aos erros do GPS, ao deslocamento do veículo, etc, os pontos mostrados sobre a tela não estarão, necessariamente, sobre as vias públicas. Por esta razão, optou-se por mostrar não a posição instantânea do ponto rastreado, mas sim a sua projeção sobre o eixo da rodovia. Deste modo o sistema

Vi1

Vi2

i=i+1 S

Ainda existe aresta ?

N

Seleção da reta de interesse: min(DP1 ,...D Pn)

Figura 09: Procedimento adotado para a seleção da reta de interesse.

Finalmente, o cálculo da posição corrigida, para o eixo da via, é realizado. O ponto ou posição do

lugar de interesse que será mostrado na tela é determinado, na reta, como sendo o ponto mais próximo ao capturado pelo receptor GPS,. Em outras palavras, é a projeção ortogonal do ponto sobre a reta (Figura 10). Vértices da reta Ponto - GPS

rep (Boundary representation), comum na área de Computação Gráfica (MORTENSON,1985). Uma vez feita a visualização da base de dados, os pontos gerados pelo programa GeoUTM (Figura 07) são mostrados na tela, sobre o mapa já apresentado.

Ponto GPS

3. VALIDAÇÃO PRELIMINAR DO PROTÓTIPO Projeção sobre o segmento. Segmento de reta Figura 10: Seleção do ponto, no segmento de reta, mais próximo da posição fornecida pelo GPS.

No caso em que o veículo se aproxima do cruzamento de vias públicas e, por uma eventualidade, a distância do ponto rastreado seja a mesma aos eixos de duas (ou mais) vias, o ponto é escolhido sobre a rodovia selecionada no ponto imediatamente anterior. Nesta situação, o usuário deve estar atento que as limitações de posicionamento com o GPS também faz parte do sistema, podendo mostrar posições errôneas. No entanto, a medida que o veículo se afasta das interseções de vias públicas, ou seja, uma espécie de área crítica, este problema é minimizado. 2.4. GERAÇÃO DA BASE DE DADOS Até o presente momento, a base de dados geográficos do protótipo é formada por dois planos de informação. Um deles contém as quadras e o outro representa os logradouros, por meio do eixo central. Dependendo das propriedades dimensionais das feições do espaço objeto e da escala de representação, pode-se utilizar diferentes primitivas gráficas. No protótipo apresentado considerou-se apenas as primitivas ponto e linha, sendo implementadas por meio de estruturas vetoriais. Estas informações vetoriais são adquiridas de arquivos no formato DXF, compatível com uma série de programas. Os atributos das feições são armazenados em tabelas e relacionados à componente espacial através de identificadores.

A região da FCT/UNESP foi utilizada para testar o protótipo. Para tanto, foram necessários a geração de dados Cartográficos e alfanuméricos da região. Na geração da base de dados utilizou-se de arquivos vetoriais no formato DXF e tabelas, como citado na seção 2.4. Como exemplo de aplicação é mostrada na Figura 11, a tela gráfica do protótipo desenvolvido. 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS O protótipo apresentado, embora esteja em desenvolvimento mostrou bons resultados, podendo ser útil a uma série de aplicações. Entre estas aplicações pode-se considerar, por exemplo: • • • • • •

Controle da posição de veículos (muito interessante em caso de segurança de frotas rodoviárias); Locomoção; Atualização de mapas rodoviários; Auxílio ao vôo fotogramétrico; Reconhecimento; e Reambulação.

Deve-se, ressaltar que, para aplicações, o sistema deve sofrer adaptações.

algumas

Como limitação atual do protótipo apresentado pode-se citar o modo de armazenamento da base de dados na memória do computador e também a compatibilidade com um número maior de formatos, sendo necessário uma otimização do sistema, problema este que está sendo estudado. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Um dos pontos críticos de sistemas de navegação desta natureza, relatado em FERREIRA(1998), CINTRA(1997, apud FERREIRA, 1998) é a geração e a manutenção da base cartográfica.

BLACHUT, T. J.; CHRZANOWSKI, A.; SAASTAMOINEM, J. H., 1979. Urban Surveying and Mapping, Springer-Verlag New York, 372 páginas.

2.5. MÓDULO DE VISUALIZAÇÃO

FERREIRA, L. FELIPE COUTINHO, 1998. Avaliação e Integração de Base Cartográficas para Cartas Eletrônicas de Navegação Terrestre, Tese de Doutorado, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo - USP, 183 páginas.

O sistema de visualização representa, na tela do computador, as feições que descrevem um objeto ou uma cena, cujo processamento é realizado com recursos de computação gráfica. A descrição da área mapeada é representada numa porção da tela, através da representação de suas fronteiras, técnica denominada B-

IBGE, 1998. Especificações e Normas Gerais para Levantamentos Geodésicos (Coletânea de Normas Vigentes), Preprint.

MACEDO, F. C.; CAMPOS, M. A., 1998. Interfaceamento GPS/CAD em Tempo Real: um Estudo de Caso, Cartografia e Cadastro, No. 8, pp. 45-51, Junho.

AGRADECIMENTOS

MONICO, J. F. G., 1996. Posicionamento pelo NAVSTAR-GPS: Descrição, Fundamentos e Aplicações, publicação interna (Unesp/FCT), 182 páginas.

• 98/10062-1 (modalidade auxílio à pesquisa), concedido ao Prof. Júlio Kiyoshi Hasegawa; e •1995/08775-1 (jovem pesquisador), concedido ao Prof. João Francisco Galera Monico.

Os autores agradecem concessão dos seguintes auxílios:

MORTENSON, M. E., 1985. Geometric Modeling, John Wiley & Sons Inc. , 763 páginas.

Figura 11: Tela do protótipo de navegação.

à

FAPESP

pela