DESENVOLVIMENTO DE UM VEÍCULO AÉREO NÃO TRIPULADO PARA MONITORAMENTO DE REGIÕES DESMATADAS...
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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE SANTA CRUZ
GEOVANE MIMOSO SOUZA
DESENVOLVIMENTO DE UM VECULO AREO NO TRIPULADO PARA
MONITORAMENTO DE REGIES DESMATADAS ATRAVS DO
GEORREFERENCIAMENTO DE IMAGENS
ILHUS BA
2012
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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE SANTA CRUZ
GEOVANE MIMOSO SOUZA
DESENVOLVIMENTO DE UM VECULO AREO NO TRIPULADO PARA
MONITORAMENTO DE REGIES DESMATADAS ATRAVS DO
GEORREFERENCIAMENTO DE IMAGENS
Monografia apresentada, para a obteno do ttulo de bacharel em cincia da computao, disciplina Estgio Supervisionado, Universidade Estadual de Santa Cruz.
Orientadora: Prof. Martha Ximena Torres Delgado.
ILHUS BA
2012
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GEOVANE MIMOSO SOUZA
DESENVOLVIMENTO DE UM VECULO AREO NO TRIPULADO PARA
MONITORAMENTO DE REGIES DESMATADAS ATRAVS DO
GEORREFERENCIAMENTO DE IMAGENS
Ilhus BA, 19/12/2012
Martha Ximena Torres Delgado UESC
(Professora Orientadora)
Francisco Bruno Souza Oliveira UESC
(Professor do Curso de Cincia da Computao)
Esbel Toms Valero Orellana UESC
(Professor do Curso de Cincia da Computao)
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DEDICATRIA
Dedico a minha me Valeria Mimoso, pois dela que vem tudo que sou.
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AGRADECIMENTOS
Agradeo as minhas mes: Valria, Adriana, Liu, Neide e Marilda, aos meus
pais Carlos e Marcos e aos meus irmos: Zaiane, Jnior, Las, Felipe e Marcos
Jr por me darem apoio em todas as etapas da minha vida. Sem vocs eu no
seria ningum.
minha namorada Lenize, que me acompanhou, apoiou e foi minha grande
amiga por quase toda minha graduao e durante esse projeto compreendeu o
pouco tempo dedicado a ela.
Aos meus colegas de faculdade: Rafaela, Michael, Bode, Anderson, Jackeline,
Bruno, Clcia, Ulisses, Carlos e Ian, por terem me dado fora e apoio durante a
graduao. Vocs comearam como colegas e hoje se tornaram grandes
amigos.
minha orientadora Martha Ximena, que trabalhou comigo durante toda a
graduao me ajudando e orientando no sentido completo da palavra.
Obrigado pelos inmeros conselhos e por acreditar em mim.
Gesil e Agnaldo responsveis, respectivamente, pelo NIT e pelo CEPEDI por
acreditarem no projeto e por proporcionar que ele se tornasse realidade.
A Paulo Costa, Francisco Bruno, Marcelo Honda, Dany Sanchez, Carlos Jos,
Martha Ximena e Jos Craveiro. Por serem professores nota 1000 e marcarem
positivamente minha trajetria acadmica. Vou levar seus ensinamentos para a
vida.
Ao pessoal da engenharia do CEPEDI, pelo apoio e o interesse durante o
projeto.
Aos meus amigos do BITLAB: Acio, Everton e Tiago, por toda ajuda. Sem
vocs esse projeto no seria possvel.
Ao pessoal do aeromodelismo de Itabuna, principalmente Joto e Ricardo, que
me auxiliaram com suas opinies, experincia e emprstimos durante o projeto.
E a todos que de uma forma ou outra estiveram envolvidos neste trabalho.
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V
DESENVOLVIMENTO DE UM VECULO AREO NO TRIPULADO PARA
MONITORAMENTO DE REGIES DESMATADAS ATRAVS DO
GEORREFERENCIAMENTO DE IMAGENS
Autor: Geovane Mimoso Souza
Orientadora: Prof. Dr. Martha Ximena Torres Delgado
RESUMO
Este trabalho apresenta o projeto e desenvolvimento de um veculo areo no
tripulado (VANT), para captura de imagens georreferenciadas na regio sul da
Bahia. Tal projeto partiu da dificuldade de se capturar imagens atravs de
satlites na regio devido ao seu alto ndice de nebulosidade. Considerando o
problema a ser sanado, foram estabelecidos requisitos como: estabilidade,
autonomia de voo, alcance, capacidade de trabalho em locais de mata densa e
de voo autnomo. Para atender esses requisitos, durante a fase de projeto,
foram estudados os diversos tipos de VANTs, seus equipamentos e sua
capacidade de adequao aos requisitos, definindo assim o melhor conjunto
para compor o veculo. Depois de projetado, o VANT foi montado, configurado
e adaptado para a execuo da tarefa proposta. Com o intuito de validar o
conjunto construdo, foram feitos testes de voo que demonstraram sua
capacidade de atender os requisitos estabelecidos. O veculo voou em
condies adversas de tempo, capturou imagens e vdeos de maneira estvel e
com qualidade, atuou em modo autnomo e manual, alm de apresentar
autonomia de voo e alcance compatveis com suas funes.
Palavras chave: VANT; Georreferenciamento de Imagens; ndice de nebulosidade.
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VI
SUMRIO
RESUMO............................................................................................................ V
1. INTRODUO ............................................................................................ 7
1.1. Identificao do problema .................................................................. 8
1.2. Objetivos .............................................................................................. 9
2. REVISO DE LITERATURA ....................................................................... 9
3. METODOLOGIA ........................................................................................ 10
4. DESENVOLVIMENTO ............................................................................... 12
4.1. Definio da estrutura ...................................................................... 12
4.2. Sistema de controle e comunicao ............................................... 29
4.3. Montagem e Configurao ............................................................... 34
4.4. Sistema de Georreferenciamento .................................................... 48
5. RESULTADOS E DISCUSSO ................................................................ 57
6. CONCLUSES ......................................................................................... 60
7. TRABALHOS FUTUROS .......................................................................... 61
REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ................................................................ 62
APNDICE A.....................................................................................................65
APNDICE B.....................................................................................................66
APNDICE C.....................................................................................................68
APNDICE D.....................................................................................................69
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7
1. INTRODUO
O uso de Veculos Areos No Tripulados (VANTs), ou Unmanned
Aerial Vehicles (UAVs) no necessariamente novo, contudo, s
recentemente, com o avano de reas como processamento de dados e a
miniaturizao de componentes, esse tipo de tecnologia se expandiu.
Atualmente, tem sido aplicada nos mais diversos setores da sociedade, tanto
em aplicaes civis como militares.
A Portaria Normativa n 606 do Ministrio da Defesa, em seu quarto
artigo, conceitua os VANTs da seguinte maneira:
I - Veculo Areo No Tripulado: uma plataforma area de baixo
custo operacional que pode ser operada por controle remoto ou
executar perfis de voo de forma autnoma podendo ser utilizada para:
a) transportar cargas teis convencionais, como sensores diversos e
equipamentos de comunicao;
b) servir como alvo areo; e
c) levar designador de alvo e cargas letais, sendo nesse caso
empregado com fins blicos.
A alnea (a), descrita na definio acima, nicho de aplicao mais
crescente ao redor do mundo. Tal definio engloba veculos para inspeo de
linhas de transmisso de energia, monitoramento de fronteiras, aerofotografia,
georreferenciamento, auxlio ttico em operaes policiais, entre outros. Esse
avano deve-se, principalmente, ao seu custo reduzido, sua mobilidade,
disponibilidade e capacidade de adaptao a cada tipo de problema.
Dentro desse seguimento, o monitoramento areo atravs do
georreferenciamento de imagens tem se destacado. O uso de satlites, ou
mesmo avies equipados com sistemas especializados, tem um custo mdio
muito superior ao do uso de VANTs de pequeno porte. Alm disso, tais
tecnologias nem sempre esto disponveis: Os satlites, por exemplo,
dependem de condies ambientais favorveis e de suas rotas de passagem.
Os avies, por sua vez, dependem de aeroportos, pilotos especializados nesse
tipo de atividade e de aeronaves adaptadas com os equipamentos necessrios.
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1.1. Identificao do problema
O municpio de Ilhus se encontra em uma regio onde o ndice de
cobertura de nuvens um dos mais altos da Bahia (FRANA, 2007),
dificultando a captura de imagens de alta resoluo por meio de satlites.
Sabe-se que a captura de imagens em locais com esta caracterstica muito
difcil, pois a obteno de novas imagens depende sempre da passagem do
satlite pelo local. Sendo assim, caso uma determinada imagem no esteja
com a qualidade suficiente para estudo, o sistema deve aguardar a prxima
passagem do satlite para a captura da imagem.
Este processo de aquisio de imagens de determinadas reas em
nossa regio de grande relevncia, pois este vem auxiliando a fiscalizao,
por parte da polcia ambiental, de reas julgadas de acordo com a Lei da Mata
Atlntica (BRASIL, 2006). Alm de ser de grande importncia para
pesquisadores da Universidade estadual de santa cruz que necessitam de
imagens de alta resoluo georreferenciadas para o monitoramento e estudo
das regies costeiras do municpio de ilhus.
A Lei da Mata Atlntica vem sendo aplicada para que regies
desmatadas possam ser recuperadas, garantindo uma maior estabilidade para
a fauna e flora da regio. Com ela, fazendeiros e produtores rurais que agridem
reas de floresta nativa so julgados, e por vezes condenados, pagando por
seus delitos com penas como multa e obrigao de realizar o reflorestamento
da rea desmatada.
O principal impasse que a polcia ambiental precisa fiscalizar essas
regies, o que se trata de uma tarefa bastante cansativa e custosa. As imagens
capturadas via satlite so uma das alternativas neste processo de
fiscalizao, no entanto, como citado anteriormente, para reas do municpio
de Ilhus e dos municpios vizinhos, as imagens de satlite apresentam uma
porcentagem significante do seu domnio coberto por nuvens. Este mesmo
problema tem afetado o andamento de diversos estudos e pesquisas nesta
regio.
Com o intuito de apresentar uma alternativa, esse trabalho prope a
elaborao de um VANT (Veculo Areo No Tripulado) que sirva como
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plataforma para possibilitar o acompanhamento, monitoramento e aquisio de
imagens georreferenciadas destas localidades.
1.2. Objetivos
Desenvolver um Veculo Areo No Tripulado para dar suporte ao
georreferenciamento de imagens. O veculo dever possuir um nvel de
flexibilidade que o permita atuar em modo autnomo ou manual, alm de
possuir autonomia de voo, estabilidade e alcance compatveis com o
monitoramento de regies desmatadas na regio sul do estado da Bahia.
2. REVISO DE LITERATURA
Com uma gama de conhecimentos j difundidos e com a disponibilidade
de equipamentos no mercado, pesquisas cujo foco a aplicao desses
equipamentos para a resoluo de problemas especficos tem sido cada vez
mais frequentes. Nelas, so avaliados os requisitos da aplicao e, com base
nisso, so pesquisadas as estruturas e equipamentos, que em conjunto,
possibilitaram a criao do veculo mais adequado para a resoluo do
problema proposto.
RASI, J. (2008) apresenta o desenvolvimento de um veculo areo no
tripulado de asa fixa e sua configurao como plataforma para a pulverizao
agrcola. Durante o projeto, foram buscadas solues mais eficientes que as
convencionais, mais baratas, com menor risco e destinadas a pequenas e
mdias propriedades agrcolas. Um prottipo foi construdo por uma empresa
privada a partir das definies estabelecidas durante o trabalho. Ao final do
trabalho, o equipamento apresentou resultados satisfatrios para as situaes
do voo requeridas.
Em NASCIMENTO, D. (2011), so analisados os requisitos de hardware
necessrios para a construo de UAV quadrotor1, que possibilite a
implementao de um enxame de UAVs com foco em aplicaes de
monitoramento territorial. Foram realizados estudos sobre os diversos
componentes de um multi-rotor2, comparaes e escolhas entre os
equipamentos disponveis, alm das validaes desses equipamentos em
1 Veculo de asa rotativa com quatro motores.
2 Veculos de asa rotativa com dois ou mais motores.
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relao ao problema exposto. Ao final do trabalho foi proposto um conjunto de
equipamentos mais adequados ao problema com o objetivo de que, em
trabalhos futuros, esse conjunto seja utilizado como referncia para a
construo de enxames de UAVs.
Por fim, em MEDEIROS, F. (2007), um VANT de asa fixa para dar
suporte agricultura de preciso foi projetado e implementado. Foram
definidos procedimentos metodolgicos, os quais embasaram a definio dos
equipamentos de um VANT para o objetivo proposto. Um prottipo foi
construdo e validado atravs de testes em lavouras da regio. O prottipo
apresentou resultados satisfatrios, permitindo a obteno de informaes
preliminares de uma determinada rea, proporcionando suporte nas atividades
agrcolas e o auxlio no planejamento e na tomada de decises para a
localizao de manchas em lavouras.
O trabalho aqui descrito segue essas mesmas linhas de trabalho
apresentadas anteriormente. A partir da atividade a ser desenvolvida pelo
veculo, sero definidos requisitos e com base neles uma estrutura considerada
ideal ser projetada. O veculo ento ser construdo, configurado e adaptado
para a execuo da tarefa proposta.
3. METODOLOGIA
O projeto contou com o apoio do Centro de Pesquisa e Desenvolvimento
Tecnolgico em Informtica e Eletro-eletrnica de Ilhus CEPEDI, que
financiou os custos do projeto, e forneceu a estrutura necessria para o seu
desenvolvimento. O projeto foi alocado no BITLAB, laboratrio de
eletroeletrnica do CEPEDI, que conta com diversos equipamentos para o
desenvolvimento de projetos mecnicos e eletrnicos. Alm disso, foi colocado
um computador com acesso a internet para possibilitar que o desenvolvimento
e os testes fossem feitos no prprio laboratrio.
Para organizar seu avano, o projeto foi dividido em oito etapas
principais. So elas: a) definio da estrutura do VANT, b) montagem e
calibrao dos equipamentos, c) adaptao do sistema de controle estrutura
definida anteriormente, d) estudo e implementao do sistema de rdio e
telemetria, e) estudo e configurao do sistema de controle de misso em terra,
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alm do projeto e desenvolvimento do sistema de georreferenciamento (f), os
testes de voo (g) e a aquisio das imagens (h).
a) Durante esta etapa, foram realizados estudos sobre o
funcionamento dos multicpteros3, seus componentes e sistemas de controle,
alm de uma anlise detalhada dos diversos equipamentos disponveis no
mercado. Foram feitos ainda testes de eficincia com alguns conjuntos de
equipamentos, selecionados durante a fase de estudos, para embasar a
definio do tipo de equipamento a ser construdo. Com os dados de eficincia,
foi possvel realizar os clculos e anlises em diferentes cenrios de
configuraes, definindo, dessa forma, o conjunto de equipamentos mais
adequado para o projeto.
b) Nesta etapa, foi feita a montagem e o teste do sistema de
propulso, a montagem e adaptao do frame4, instalao dos rotores,
instalao dos ESCs5, verificao do equilbrio e balanceamento da estrutura,
bem como a confeco da placa distribuidora de tenso e sinal, e a instalao
da bateria.
c) Foi feito um estudo aprofundado no hardware do ardupilot mega
2.5, bem como nos cdigos de controle do projeto arducopter, entendendo,
assim, seu funcionamento e dando embasamento para as possveis
modificaes posteriores. Ainda nesta etapa, foi realizada a instalao do
sistema de controle estrutura, realizando as configuraes e adaptaes
necessrias para todos os componentes do veculo. Outra tarefa desta etapa
foi a adaptao do cdigo do sistema de controle de trajetria autnoma, com o
objetivo de permitir que imagens sejam capturadas em cada ponto de interesse
com a melhor preciso e estabilidade possveis.
d) Na etapa quatro, foram realizadas a montagem, a configurao e
o teste do sistema inicial de rdio-controle. Foram feitos ainda testes
diretamente no multicptero, permitindo, assim, a regulagem do sistema de
propulso, de forma a proporcionar uma estabilidade de voo adequada. Ainda
nesta etapa, foi instalado e configurado o sistema de telemetria junto ao
multicptero e o software de controle de misso em solo.
3 Sinnimo de multi-rotor
4 Estrutura fsica dos multi-rotores.
5 ESCs (Eletronic Speed Controllers) so controladores eletrnicos de velocidade utilizados em
motores de corente contnua.
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e) Neste ponto, foram realizados os estudos referentes ao
funcionamento do software de cdigo aberto do projeto ardupilot o Mission
Planner. Aps esse estudo, foi necessrio realizar as diversas configuraes
do equipamento junto ao software, bem como foram analisados os possveis
modos de determinao da misso autnoma, de maneira que esta funcione
em conformidade com o sistema de georreferenciamento.
f) Para o sistema de georreferenciamento, foi necessrio um estudo
sobre o firmware da cmera Gopro hero 2, com o intuito de entender como
funcionam os trinta pinos de sua porta para adaptadores externos (BUS). A
partir desse estudo, foram concebidos um circuito de interfaceamento entre a
cmera e o sistema de controle, alm do cdigo de controle da cmera, que
permitira enviar comandos para captao de imagens.
Por fim, em (h) e (g), foram realizados os testes de voo e de aquisio
das imagens, com a finalidade de permitir aferir a eficcia do equipamento em
relao aos objetivos propostos.
4. DESENVOLVIMENTO
4.1. Definio da estrutura
Atualmente, existem diferentes tipos modelos de veculos areos no
tripulados. Ao considerar os de pequeno porte, podemos dividi-los em trs
tipos: os de asa fixa, os multi-rotores e os helicpteros.
Os modelos de asa fixa atingem as maiores autonomias de voo e
conseguem cobrir grandes reas. Em geral, necessitam de locais adequados
para pousos e decolagens. Alm disso, no conseguem manter uma posio
fixa durante o voo.
Os multi-rotores e os helicpteros so veculos de asa rotativa,
conseguem realizar pousos e decolagens verticais, manter uma posio fixa
durante o voo e possuem uma estabilidade relativamente melhor do que a dos
modelos de asa fixa do mesmo porte. Os multi-rotores, pelo fato de possuir
mais motores, conseguem maior preciso nos seus movimentos, maior
estabilidade e possuem maior capacidade de carga til.
Levando em considerao o tipo de atividade que o veculo ir
desenvolver, podem-se definir alguns requisitos para a sua estrutura. So eles:
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Estabilidade;
Definio precisa de seu posicionamento geogrfico em um momento
especfico;
Atuao em diferentes altitudes;
Autonomia de voo acima de 15 minutos;
Realize as operaes de maneira autnoma ou manual;
Consiga carregar equipamentos para a captao de imagens;
Decolagem nos mais diversos tipos de ambiente (sem pista);
Considerando os requisitos apresentados, pode-se perceber que os
multi-rotores so mais adequados para a funo, visto que apresentam boa
estabilidade, conseguem se manter fixos em uma posio especfica,
facilitando assim a captao e o georreferenciamento de imagens de maneira
precisa (EISENBEISS, 2004). Alm disso, possuem uma capacidade de carga
maior do que os helicpteros do mesmo porte, o que falicita a adaptao de
diversos sistemas de captao de imagens, controle, telemetria, transmisso
de vdeos, entre outros. Outras caractersticas importantes so sua capacidade
de fazer pousos e decolagens verticais e sua movimentao precisa,
possibilitando a sua utilizao em ambientes urbanos ou de mata densa. Por
fim, por ser uma estrutura adaptvel e com diversos tipos de configuraes,
possvel realizar um estudo aprofundado e definir qual dessas configuraes
a mais adequada para o projeto. Dessa maneira, possvel conceber uma
estrutura visando os requisitos solicitados.
Os multi-rotores
Como pode ser visto na Figura 1, um multi-rotor composto por hlices;
motores; frame; baterias e ESCs, alm do seu sistema de controle;
comunicao e distribuio de energia, os quais sero abordados com mais
detalhes nos prximos itens. Sendo assim, nesse ponto, sero abordadas
questes que iro impactar diretamente em caractersticas como: eficincia
energtica, estabilidade, segurana, capacidade de carga e autonomia de voo
do equipamento. Para isso, foram realizadas pesquisas sobre cada tipo de
equipamento, analisando suas vantagens e desvantagens. Aps isso, foram
feitos testes de eficincia com alguns equipamentos para definir a melhor
configurao para o sistema de propulso.
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Figura 1- Equipamentos que compem um multi-rotor.
Fonte: (ArduCopter, 2012a).
Hlice
As hlices possuem duas caractersticas importantes para sua escolha.
So elas: o dimetro e o passo - ambas so usualmente representadas em
polegadas. O dimetro a distancia de uma ponta a outra da hlice e o passo
a altura da massa de ar que a hlice ir movimentar ao realizar uma rotao
completa (RODRIGUES, 2004).
Quanto maior o dimetro da hlice, maior ser sua rea de arrasto,
portanto mais fora ser gerada pelo motor. Quanto maior o passo da hlice,
maior ser a velocidade final do equipamento. Equilibrar esses dois parmetros
para suprir as necessidades de cada tipo de equipamento a soluo mais
adequada para a escolha das hlices.
Hlices maiores proporcionam maiores arrasto e estabilidade, porm,
no so indicadas para voos acrobticos onde exige-se grande velocidade e
mobilidade. J hlices menores trabalham com rotaes mais altas e passos
maiores para movimentar uma pequena quantidade de ar com um grande fluxo,
possibilitando assim atingir grandes velocidades.
O VANT em desenvolvimento neste projeto busca eficincia energtica e
estabilidade durante voo. Hlices maiores possuem maior rea de apoio, logo
maior estabilidade. Alm disso, exigem menos rotaes dos motores e
movimentam uma quantidade maior de massa de ar a cada rotao, portanto
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apresentam taxas de eficincia maiores em relao a hlices de menor
tamanho. No que diz respeito ao passo da hlice, no so necessrias grandes
velocidades durante o voo, logo se optou por passos medianos. Dessa forma,
diminui-se a exigncia de torque do motor e aumenta-se a eficincia do
conjunto.
Considerando as definies apresentadas anteriormente e os estudos
realizados por VIOLATO, G. & LACAVA, P. (2006), alm de avaliar as
necessidades de estabilidade, eficincia e velocidade mediana (15 m/s) do
veculo, foram escolhidas, dentre as disponveis no pas, as seguintes hlices:
Dimetro: 16 passo: 6.5 peso: 24g Material: Fibra de carbono
Dimetro: 14 passo: 4.7 peso: 20g Material: GRP6
Motor
A alimentao de UAVs de pequeno porte fornecida atravs de
baterias, as quais fornecem uma tenso de alimentao contnua. Tal fato
limita as opes de escolha aos motores de corrente contnua (motores cc).
Segundo MORELATO (2001a), um motor cc converte energia eltrica em
energia mecnica, com a particularidade de que deve ser alimentado com
tenso contnua. Tais motores podem ser divididos em dois tipos: os motores
com escova (brushed) e os sem escova (brushless).
Os motores com escova so compostos basicamente por um estator,
um rotor e um comutador:
O estator responsvel por gerar um campo magntico; para isso
podem ser utilizados, a depender do tamanho do motor, enrolamentos
ou ms permanentes.
O rotor contm um enrolamento tambm chamado de armadura, que
alimentado atravs do comutador e escovas de grafite. Tal enrolamento
tem sua polaridade invertida de acordo com a posio do comutador.
J o comutador uma estrutura circular que funciona invertendo o
sentido da corrente contnua que circula na armadura durante a sua
rotao.
6 Plstico reforado com fibra de vidro.
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Tais componentes interagem de acordo com a representao vista na
Figura 2, a qual exemplifica o funcionamento bsico de um motor CC. Tais
motores partem do princpio de que um condutor transportando uma corrente
eltrica e atravessado por um fluxo magntico fica submetido a uma fora de
natureza eletromagntica (MORELATO, 2001b). Partindo desse ponto,
colocando-se a armadura entre os polos norte e sul de um im (estator), forma-
se um campo magntico B que ir passar pela espira da armadura. Quando a
espira ligada a uma fonte de energia, ela passa a interagir com o campo
magntico B de acordo com o sentido do fluxo da corrente i, que passa pela
espira gerando uma fora ortogonal ao plano da corrente. Tal fora
responsvel pela movimentao da espira, porm tende ao equilbrio. Para
possibilitar uma movimentao contnua do motor, o comutador, girando e em
contato com as escovas, alterna periodicamente o fluxo da corente na espira e,
dessa forma, inverte o sentido da fora no ponto de equilbrio.
Figura 2 - Estrutura bsica de um Motor CC.
Fonte: (MORELATO, 2001c).
Os motores com escova so simples e fceis de fabricar, portanto so
baratos. Porm, apresentam alguns problemas:
As escovas se desgastam com o tempo e limitam a velocidade mxima
do motor;
Como as conexes so feitas e desfeitas a todo o momento, so
geradas fascas e rudos eltricos com frequncia;
O uso de escovas limita a quantidade de polos que a armadura pode ter.
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J os motores cc sem escova funcionam com uma estrutura parecida e
valendo-se dos mesmos princpios. A principal diferena que esse tipo de
motor deve ter o rotor magnetizado por ims permanentes e os enrolamentos
so colocados no estator. A movimentao do motor possvel, pois so feitas
inverses de polaridade por um circuito externo nos enrolamentos do estator,
fazendo com que o rotor gire.
A utilizao desse tipo de motor tem os seguintes benefcios:
No apresenta os problemas encontrados nos motores com escova; tais
como: fascas, rudos eltricos e desgaste de escovas;
Maior preciso, pois o controle feito atravs de um microcontrolador, e
no mecanicamente;
Maior eficincia, pois a velocidade pode ser controlada pelo
microcontrolador;
Pode usar vrios enrolamentos, aumentando assim a preciso e o
controle do motor.
Considerando tais caractersticas, o motor eltrico escolhido para o
projeto do tipo sem escova ou brushless. Porm, existem diversos tipos de
motores brushless, que variam sua faixa de alimentao, taxa mxima de
rotao por minuto e o tipo de hlice que suportam. Cada uma dessas
caractersticas impacta na eficincia do sistema de propulso e devem ser
analisadas.
Os brushless tem um nmero associado a eles, identificado como KV.
Tal nmero representa a quantidade de rotaes por minuto que um motor
pode atingir alimentado por uma tenso de um volt. Portanto um motor com
500 kv, e alimentado com 11v ter rotao mxima de 11x500 rpm, ou seja,
5500 rpm. Essa uma das caractersticas mais relevantes para a escolha de
um motor brushless, pois quanto maior a taxa de rotao de um motor, mais
rpidas as comutaes devem ser feitas. Portanto, o torque final do motor
menor. Logo, KV e torque so grandezas inversamente proporcionais. Como
hlices maiores exigem um torque maior para serem movimentadas, quanto
maior a hlice menor deve ser o KV do motor.
Levando em conta o tpico sobre hlices, onde se conclui que hlices
maiores possibilitam maior estabilidade e eficincia (alm do fato de que
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motores com menor taxa de rotao so energeticamente mais eficientes),
optou-se por motores brushless com baixo KV e com uma grande faixa de
alimentao, para possibilitar a utilizao de diferentes tipos de bateria durante
os testes do sistema de propulso.
Tendo como fator limitador a oferta de motores encontrada no Brasil,
foram selecionados os seguintes motores para a fase de testes:
brushless 360kv, 2s a 6s (7,4v a 22,2 v), 80g, corrente mxima 10A;
brushless 650kv, 2s a 4s (7,4v a 14,8 v), 73g, corrente mxima 18A.
Bateria
Atualmente existem quatro tipos principais de baterias. So elas: Li-Ion
Battery, NiMH Battery, NiCd Battery e LiPo Battery. Na Tabela 1, pode-se ver
um resumo das caractersticas mais relevantes para o desenvolvimento de
UAVs de cada bateria. Tais caractersticas esto definidas abaixo:
Densidade de Energia (Wh/kg): Diz respeito a quantidade de energia
que a bateria consegue suportar por quilograma. Logo, quanto maior
esse ndice, mais energia ser carregada com o mesmo peso. Essa
uma das caractersticas mais importantes para a bateria de um UAV,
pois, quanto maior o peso do equipamento, maior ser seu consumo
energtico e menor ser sua autonomia de voo.
Efeito memria: A quantidade de carga que usada para carregar uma
bateria ainda no-vazia definida como parmetro para as prximas
recargas, o que resulta em perda de capacidade da bateria com o
passar das recargas.
Capacidade de descarga: a corrente mxima que a bateria consegue
liberar de uma vez. Ela expressa nas baterias com a terminologia NC,
onde N significa o nmero que vezes que a bateria consegue liberar, de
uma s vez, a sua carga. Assim, uma bateria de 2 Ah com 5C consegue
suprir uma corrente de at 10 A. Para multi-rotores, essa uma
caracterstica indispensvel, visto que a depender das condies de
vento e do tipo de acelerao que imposta ao veculo, o consumo de
energia pode variar drasticamente, logo a bateria deve suportar essa
variao e continuar alimentando o veculo.
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Capacidade de recarga: a quantidade de carga que a bateria pode
receber durante a sua recarga. Ela tambm expressa com a
terminologia NC. Quanto maior esse valor, mais velozes sero as
recargas e o veculo ficar disponvel mais rapidamente.
Ciclo de vida: quantidade de vezes que uma bateria pode ser
carregada e descarregada completamente. Quanto maior esse nmero,
mais as baterias vo durar, o que implicar em menor necessidade de
troca da bateria do veculo.
Tabela 1 - Tabela comparativa de baterias.
Li-Ion NiMH NiCd LiPo
Densidade de energia (Wh/kg)
120 - 140 80 - 100 40 - 60 140 180
Efeito memria No possui Raro Possui No possui
Capacidade de descarga
< 60c < 20 c < 20 c < 100c
Capacidade de recarga
< 8c < 4c < 4c < 10c
Ciclos de Vida 400-600 400 - 500 250 - 300 600 1000
Fontes: (TRINDADE, 2006), (POWARIDER, 2012) e oferta mundial de baterias na internet.
Como pode ser visto na Tabela 1, as baterias de LiPo possuem os
melhores ndices em todos os aspectos avaliados. Outro fator importante que
esse tipo de bateria tem sido largamente utilizado no desenvolvimento de
veculos areos no tripulados e pela comunidade de modelistas em geral, fato
que aumenta a oferta e incentiva o avano tecnolgico dessas baterias. Logo, a
bateria escolhida para o projeto a LiPo.
Para diminuir os custos e simplificar os testes, foi preciso limitar as
faixas de voltagem das baterias. Considerando o fato de que motores brushless
trabalhando em faixas de voltagem maiores so menos eficientes, e que
trabalhando em faixas menores tem sua rotao limitada e, por consequncia,
empuxos menores, optou-se por faixas intermedirias de voltagem. Logo, os
testes sero feitos com baterias 3s e 4s o s ao lado do nmero indica a
quantidade de clulas da bateria. Como cada clula de LiPo possui 3,7 volts,
as faixas de trabalho das baterias sero respectivamente 11,1 v e 14,8 v.
-
20
ESC
Os ESCs (Eletronic Speed Controllers) so controladores eletrnicos de
velocidade e, como visto anteriormente, so responsveis pela alimentao e
alternncia dos enrolamentos do estator do motor brushless, possibilitando a
sua movimentao e controle de velocidade.
A maioria dos ESCs so implementados em microcontroladores7 e
funcionam recebendo sinais PWM8 em perodos de 20ms. Dependendo da
largura de pulso enviada no incio do perodo (1 a 2 milissegundos), a
velocidade de rotao do motor ser alterada de acordo com essa largura, ou
seja, se a largura enviada no incio do perodo for igual a 1 ms, o motor no
ter rotao; caso o pulso seja de 1,5 ms a rotao do motor ser de 50%, e
assim sucessivamente.
Em geral, os motores cc sem escova possuem trs fases de variao no
seu estator, logo os controladores de velocidade devem receber o sinal pwm
indicando a intensidade de rotao do motor e gerar sinais trapezoidais de
deslocamento com 120 nessas trs fases (NASCIMENTO, 2011). Uma
representao das entradas e sadas de um ESC controlado via PWM e com
trs fases de sada pode ser vista na Figura 3.
Figura 3 - ESC com trs fases de sada.
Para a escolha do ESC do projeto, levou-se em considerao os
motores escolhidos anteriormente, a faixa de tenso definida para testes, o
tempo de resposta e a possibilidade de adaptao do sistema de controle.
7 Um microcontrolador um computador inserido em um chip, contendo um processador,
memria e perifricos de entrada/sada. 8 Pulse Width Modulation ou modulao por largura de pulso, uma tcnica que permite o
controle da potncia aplicada a uma carga atravs da largura dos pulsos de excitao da sua etapa de potncia.
-
21
Sendo assim, se fez necessrio um ESC que possibilite uma corrente de
at 20A, trabalhe entre 3 s e 4 s (11,1V 14.8V), tenha um bom tempo de
resposta e seja adaptvel.
O controlador de velocidade escolhido foi ESC 20A Brushless Motor
Speed Controller da RC Timer. Ele suporta correntes de 20A e pode fornecer
at 25A durante 10 segundos (caso necessrio), trabalha com alimentao
entre 2 s e 4 s ( 7,4V 14,8v ) e pesa 22g. Alm disso, permite ser programado
atravs de cartes de programao.
Outro fator importante que o seu microcontrolador tem arquitetura
Atmel AVR 8-bit9, fato que possibilita a troca do firmware do ESC por outros
mais eficientes e de cdigo aberto, como o SimonK (SIMON, 2012), ou mesmo
por cdigos prprios.
Testes e definio dos equipamentos
Para a realizao dos testes foi necessrio adquirir uma balana de
preciso e confeccionar uma estrutura que possibilitasse a medio do empuxo
gerado pelo conjunto formado por motor, hlice e bateria.
A estrutura para testes (Figura 4) foi feita utilizando duas chapas de ao
retangulares com 50 cm de comprimento, 10 cm de largura e 2 cm de
espessura presas por dois parafusos. Acima das duas chapas, foi presa, com
quatro parafusos, outra chapa quadrada com 10 cm de lado e 2 cm de
espessura. Nela foram feitos os furos necessrios para que os dois motores
selecionados pudessem ser presos. O peso final da estrutura ficou em 3 kg.
Sabendo que o empuxo mximo gerado pelos diferentes conjuntos no
ultrapassa 1,5 kg, conclui-se que a estrutura pode ser utilizada em cima da
balana, e os conjuntos podem ser ligados em suas capacidades mximas,
sem que a estrutura se movimente no sentido do empuxo. Logo, pode-se
medir a diferena entre o peso inicial da balana e o que esta sendo marcado
durante a rotao do motor. Dessa forma, obtm-se o empuxo gerado pelo
conjunto em uma faixa de rotao especfica.
9 A AVR uma modificao da arquitetura Harvard 8bits RISC, criada pela Atmel em 1996, foi
uma das primeiras famlias de microcontroladores a utilizar uma memria flash para armazenar sua programao. Atualmente possui uma das comunidades mais ativas do mundo e seus microcontroladores so utilizados em diversos projetos de controle, automao e robtica.
-
22
Figura 4 - plataforma de teste do sistema de propulso.
Para o teste de todos os conjuntos, o mesmo ESC selecionado na
sesso anterior foi utilizado. Para enviar os sinais PWM para o controlador de
velocidade, foi utilizada a placa Arduino Program-me 10 - essa placa possui um
microcontrolador Atmega2560, programada utilizando uma linguagem
baseada nas linguagens C e C++ e possui portas lgicas de sada que
permitem o envio de sinais para o ESC. Alm disso, permite comunicao
serial com computadores por meio de uma interface FTDI11 e um cabo USB.
Utilizando a placa Program-me ligada ao ESC e ao computador, foi
desenvolvido um cdigo de controle que permite alterar as faixas de rotao do
motor brushless. O cdigo ( Apndice A ) embarcado no microcontrolador da
placa funciona recebendo do computador as letras q ou w por meio de
comunicao serial, e enviando os respectivos sinais PWM para aumentar ou
diminuir a rotao do motor em nove faixas diferentes de rotao. O cdigo
possui ainda uma funo que para o motor quando recebe a letra e do PC, e
outra que, ao receber a letra r, aumenta gradativamente a rotao do motor
at o seu limite.
Sendo assim, j possvel determinar as faixas de rotao do motor e
saber qual o empuxo naquela faixa, faltando apenas saber qual o consumo
de energia dessa faixa. Para isso, foi utilizado um multmetro digital ligado em
srie na alimentao do ESC.
10
As placas que embarcam chips com arquitetura AVR so chamadas de Arduino. A Program-me uma verso dessas placas com dispositivos auxiliares embarcados que facilitam a adaptao de sistemas eletrnicos. 11
Interface que converte sinais RS232 para USB ou vice-versa.
-
23
Os dados de consumo e empuxo em cada faixa de rotao foram
obtidos para os seguintes grupos de teste:
Motor 360 KV, hlice 16, bateria 3s;
Motor 360 KV, hlice 16, bateria 4s;
Motor 360 KV, hlice 14, bateria 3s;
Motor 360 KV, hlice 14, bateria 4s;
Motor 650 KV, hlice 14, bateria 3s;
Motor 650 KV, hlice 14, bateria 4s;
Obs.: O motor de 650 KV, de acordo com as especificaes do fabricante, no
suporta hlices de 16, portanto tais hlices no foram testadas com ele.
Com os dados de tenso de cada bateria, de gasto energtico e de empuxo em
cada faixa de rotao, possvel calcular a eficincia em gramas/watts do
conjunto atravs da equao 1, onde V a voltagem em volts de trabalho da
bateria no momento do teste, E igual ao empuxo em gramas gerado na
faixa calculada, e A a intensidade da corente em ampre na mesma faixa.
Eficincia = E/V*A (1)
Utilizando a equao 1 para calcular a eficincia de cada conjunto nas diversas
faixas de rotao, obtiveram-se os resultados expressos no Grfico 1.
Grfico 1 - Eficincia energtica dos conjuntos de sistemas de propulso selecionados.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Efic
in
cia
g/w
Faixa PWM
Eficincia energtica
360kv 4s 16"
360kv 4s 14"
360kv 3s 14"
360kv 3s 16"
650kv 3s 14"
650kv 4s 14"
-
24
Analisando os dados expressos no grfico, verifica-se que trs grupos
apresentam as melhores curvas de eficincia. So eles: motor 360 KV/hlice
16/bateria 3s; motor 360 KV/hlice 16/bateria 4s; motor 360 KV/hlice
14/bateria 4s. Contudo, os motores no devem ser apenas eficientes,
precisam apresentar um empuxo mximo que permita o equipamento se
manter estvel em ventos fortes ou responder com agilidade aos comandos
passados.
Considerando os dados de peso expressos na Tabela 2 e os possveis
cenrios de peso que o equipamento possa ter, conclui-se que a faixa de
trabalho dos motores para que o veculo se mantenha no ar deve variar de 400
gramas a 550 gramas. Avaliando-se os dados de empuxo de cada conjunto
expressos no Grfico 2, percebe-se que o conjunto formado por Motor 360 KV,
hlice 16 e bateria 3s - o qual havia apresentado as maiores taxas de
eficincia - tambm possui o menor empuxo entre os trs mais eficientes. Caso
esse conjunto fosse utilizado, no haveria uma grande diferena entre o
empuxo para manter-se no ar e o empuxo mximo que o equipamento pode
gerar. Tal fato tornaria o veculo mais lento e vulnervel a mudanas climticas.
Portanto, esse grupo no foi selecionado.
Grfico 2 - Empuxo dos trs conjuntos de equipamentos mais eficientes.
Sobram ento dois grupos para realizar a escolha. Analisando o Grfico
3 podemos ver que a eficincia mdia do grupo (360kv 4s 16) no intervalo de
empuxo entre 400 e 550g 18,6% maior que a do grupo (360kv 4s 14). Alm
disso, o primeiro grupo mais eficiente que o segundo em praticamente todas
901
776
640
0
200
400
600
800
1000
360kv 4s 16" 360kv 4s 14" 360kv 3s 16"
Empuxo mximo (g)
-
25
as faixas de trabalho (Grfico 1). Portanto o grupo escolhido para o sistema de
propulso o formado pelo motor 360 KV, a hlice 16 e a bateria 4s (14,8v).
Grfico 3 - Eficincia media dentro da faixa estabelecida de trabalho
Com os componentes do sistema de propulso escolhidos, pode-se
definir o nmero de motores e a capacidade da bateria. Para definir tais
configuraes, necessrio primeiro ter uma ideia do peso final da estrutura, e
estimar, assim, as possveis faixas de trabalho dos motores em diferentes
cenrios. A Tabela 2 mostra os equipamentos que j foram definidos e seus
respectivos pesos.
Tabela 2 - Peso dos equipamentos j definidos
O asterisco marcado no frame sinaliza que o peso indicado uma
estimativa. O termo sistema de controle completo se refere placa de
controle junto com GPS, receptor de rdio, rx/tx da telemetria e placa de
distribuio de energia, incluindo cabos e adaptaes necessrias para a
instalao. Tais itens, assim como a cmera e seus acessrios, j foram
10,99
8,94
0
2
4
6
8
10
12
360kv 4s 16" 360kv 4s 14"
Eficincia media (g/w)
Eficiencia entre 400g e 550 g
Equipamentos Peso (g)
Frame* 650
Hlice 16, motor, ESC com fios.
150
Cmera/Capa/adaptador 190
Sistema de controle completo e instalado
250
-
26
definidos e sero detalhados, respectivamente, nos tpicos referentes ao
sistema de controle e ao sistema de georreferenciamento.
No que diz respeito ao nmero de motores, sero avaliados dois
cenrios: quatro e seis motores. Equipamentos acima de seis motores so
relativamente caros e apresentam poucas diferenas se comparados aos
veculos com seis motores. Em geral, esse tipo de equipamento utilizado para
carregar cargas maiores. J os veculos com trs motores no suportariam a
carga j escolhida, alm de serem mais suscetveis a apresentarem
instabilidade.
Portanto, sero analisados os tempos de voo de um quadricptero12 e
de um hexacptero13 com baterias 4s (14,8v) de diferentes capacidades. Para
realizar essa anlise, deve-se considerar o peso final dos dois veculos.
Utilizando os dados da Tabela 2, conclui-se que os pesos estimados do
quadricptero e do hexacptero, ambos sem bateria, so, respectivamente,
1690 g e 1990 g.
Para facilitar a anlise dos tempos e possveis comparaes
posteriores, os tempos de voo sero calculados supondo que o veculo esteja
parado em uma posio fixa no ar. Portanto, os motores devem realizar, juntos,
um empuxo igual ao peso total do equipamento. Sabendo que as baterias LiPo
vendidas atualmente tem uma capacidade mdia de 140 Wh/kg, e com os
dados de gasto energtico do conjunto para um determinado empuxo, pode-se
calcular o tempo de voo do equipamento utilizando o procedimento
exemplificado abaixo.
Exemplo: Clculo do tempo de voo do quadricptero com uma bateria com
100 Wh de capacidade.
Utilizando como referncia a relao capacidade/peso das baterias LiPo
(140wh/kg) encontra-se, empregando uma regra de trs simples, o peso da
bateria de 100 Wh que igual a 714,2 g. Sabendo que o peso do quadricptero
sem a bateria de 1690 g, soma-se ao peso da bateria para encontrar o peso
total da estrutura, 2404,2 g.
Com o peso total, pode-se calcular a quantidade de empuxo que cada
motor precisar exercer para manter o equipamento no ar. Esse valor
12
Multi-rotor com quatro motores 13
Multi-rotor com seis motores
-
27
encontrado pela diviso do peso total pelo nmero de motores. Portanto, o
valor de empuxo para cada motor de 2404,2/4 = 601g. Sabendo o valor do
empuxo que cada motor dever exercer e com os resultados dos testes de
eficincia, encontra-se o gasto energtico do conjunto para gerar o empuxo
determinado. O gasto de 4,1 A para gerar o empuxo de 601g.
Considerando que a faixa de trabalho das baterias de 4s varia de 14,8 v
a 16,8 v (no momento dos testes 16 v), e que o gasto dos quatro motores de
16,4 Ah, pode-se calcular o tempo de voo utilizando a equao 2.
O mesmo processo foi repetido para vrias faixas de capacidade de bateria,
tanto para o quadricptero, quanto para o hexacptero. O Grfico 4 mostra a
evoluo do tempo de voo em hover14 de acordo com o aumento da
capacidade das baterias para cada uma das configuraes.
Grfico 4 - Resultado dos clculos de tempo de voo em hover para vrias capacidades de bateria.
14
Modo de voo autnomo no qual o veculo tenta manter-se em uma posio fixa no ar.
101214161820222426283032343638
40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240
Tem
po
de v
oo
em
min
uto
s
Capacidade da Bateria
Tempo de voo em Hover
Quadricoptero
Hexacoptero
T = (C/V*G)*60
T = (100/16*16,4) *60
T = 22,86 minutos
T = 22 minutos e 51 segundos
T = tempo de voo em minutos;
C = capacidade da bateria em
Watts hora;
V = voltagem da bateria no
momento do teste em volts;
G = gasto do conjunto de motores;
(2)
-
28
O nmero de motores escolhido foi seis, pois, como pode ser visto no
grfico acima, o hexacptero possui tempos de voo maiores que o do
quadricptero. Alm disso, o quadricptero esta trabalhando a partir do terceiro
ponto acima do limite de empuxo de 550g, estabelecido para que o
equipamento no perca sua mobilidade e capacidade de resposta. Outro fator
importante a ser considerado diz respeito segurana, pois, com seis motores,
o hexacptero possui condies de realizar pousos, caso um dos motores falhe
durante o voo.
Quanto s baterias, como o conjunto escolhido eficiente em vrias
faixas de rotao, o aumento da capacidade da bateria e por consequncia o
peso no alterou significativamente as faixas de eficincia dos conjuntos
testados. Portanto, quanto maiores as capacidades das baterias, maiores
tambm foram os tempos de voo. Contudo, como citado anteriormente, existe
uma limitao de empuxo mximo que o conjunto deve ter. No caso do
hexacptero esse limite foi atingido na capacidade 180, o que significa que a
bateria ideal para o equipamento seria uma bateria 4 s com 12 Ah de
capacidade, obtendo, assim, um tempo de voo em hover de 31 minutos e 15
segundos. Porm o mercado brasileiro limitado, e o mais prximo que pde
ser comprado foram duas baterias 4s com 4 Ah de capacidade, trabalhando em
paralelo elas ficam com 8Ah de capacidade e atingem o tempo de voo em
hover de 26 minutos e 47 segundos.
importante ressaltar que o tempo de voo em hover serve apenas como
referncia para a determinao dos melhores conjuntos. O tempo final de voo
efetivo depende do tipo de voo executado, se existir muita acelerao ou no,
condies de vento, e etc. Em geral, o tempo de voo real varia de 60% a 80%
do tempo em hover.
Frame
Considerando o nmero de motores e o tamanho das hlices definidos
anteriormente, o frame escolhido para o projeto (Figura 5) foi o modelo
produzido pela Megacopter15. Feito em fibra de vidro e carbono, pesa 640g,
tem 23 cm de altura, 71 centmetros de envergadura e foi desenvolvido para 6
motores.
15
Empresa brasileira que fornece materiais de aero modelismo.
-
29
Figura 5 - Frame para seis motores da Megacopter. Fonte: Megacopter
Alm de ser bastante resistente, este frame utiliza tubos presos por
presso com borrachas e parafusos na estrutura central, no encaixe dos
motores e nas estruturas de apoio. Tal caracterstica facilita a troca desses
tubos por tubos de maior comprimento, possibilitando, assim, a utilizao de
hlices maiores, tais como as de 16 polegadas (40 cm). Isso foi necessrio,
pois no mercado nacional no existem frames com seis motores compatveis
com essas hlices.
4.2. Sistema de controle e comunicao
O sistema de controle escolhido para o projeto foi o ArduPilot Mega 2.5.
Tal sistema a mais recente verso de um sistema completo de piloto
automtico com hardware e software abertos comunidade. Criado pela DIY
Drones Community (2012) em 2009, o projeto oferece uma tima plataforma
para o desenvolvimento UAVs e permite adaptaes e melhorias tanto no
hardware quanto no software sobre a licena Creative Commons "attribution"
license (2012). Atualmente, a comunidade conta com mais de 20 mil membros
ativos ao redor do mundo e possui verses de cdigo para UAVs de asa fixa
(ArduPlane) e asa rotativa (ArduCopter), alm de carros (ArduRover).
A escolha por esse sistema foi feita, principalmente, pela sua
possibilidade de adaptao e aprendizado, dando liberdade para que o projeto
se desenvolva a ponto de criar verses prprias de cdigo e hardware
futuramente.
-
30
O hardware de controle (Figura 6) possui sensores, entradas e sadas
lgicas de controle, interfaces de comunicao para a conexo de dispositivos
externos, memria interna, processamento dedicado, entre outros recursos.
Uma descrio mais aprofundada dos dispositivos de controle da APM 2.5
board pode ser vista abaixo.
Figura 6 - ArduPilot Mega 2.5 Board.
Fonte: (DIY Drones, 2012a).
APM 2.5
Processamento:
A APM 2.5 possui dois processadores: O ATmega 2560 e o ATmega
32U2. Ambos so processadores de alta performance, baixa voltagem e tem
arquitetura Atmel 8-bit AVR RISC-based. O ATmega 2560 o processador
principal: ele responsvel por toda a execuo do firmware de controle,
verificao de sensores, enviar sinais de controle, processar as entradas e se
comunicar com os dispositivos auxiliares. J o ATmega 32U2 responsvel
pela interface USB do dispositivo, alm de funcionar como um codificador
PPM16, caso seja necessrio. A Tabela 3 resume as principais caractersticas
dos dois processadores.
Tabela 3 - Comparativo ATmega 2560 e 32u2.
Parmetros ATmega2560 ATmega32U2
Memria Flash 256 Kbytes 32 Kbytes
Nmero de pinos 100 32
Frequncia mxima 16 MHz 16 MHz
CPU 8-bit AVR 8-bit AVR
16
Cofica sinais PWM (modulao por largura de pulso ) para PPM (Modulao por posio de pulso).
-
31
Parmetros ATmega2560 ATmega32U2
Max I/O Pins 86 22
Ext Interrupts 32 20
Interface USB - 1
Velocidade USB - mxima
Interface SPI 5 -
Fonte: (ATMEL, 2012).
Sensores:
Existem trs sensores embarcados na APM 2.5: o MPU-6000 o
HMC5883L-TR e o MS5611. O MPU-6000 um rastreador de movimento de
seis eixos que integra um giroscpio de trs eixos, um acelermetro de trs
eixos e um processador digital de movimento (INVENSENSE, 2012a). Tais
dispositivos so, frequentemente, utilizados para o desenvolvimento dos
sistemas de controle de veculos areos no tripulados, pois:
Os giroscpios determinam as velocidades angulares do corpo ao qual
esto fixados e, por conseguinte, a orientao do veculo em relao
sua trajetria. (FORHAN N, 2010a)
Os acelermetros determinam as aceleraes do centro de massa do
veculo, atravs das quais se obtm as foras especficas que agem
sobre o mesmo. (FORHAN N, 2010b)
O processador digital de movimento (Digital Motion Processor - DMP)
adquire dados de acelermetros, giroscpios e sensores adicionais,
como magnetmetros, e os processa. Os dados resultantes podem ser
lidos a partir dos registradores do DMP ou podem ser alocados em uma
FIFO17 para leitura posterior. A simplificao da obteno de dados de
posicionamento e movimentao, a diminuio da carga do processador
principal e o aumento da velocidade de resposta do sistema so alguns
dos benefcios da sua utilizao (INVENSENSE, 2012b).
O HMC5883L-TR um magnetmetro projetado para ter alta
sensibilidade a campos magnticos. Pode ser utilizado como uma bssola de
baixo custo ou para medio da intensidade, da direo e do sentido de
17
FIFO (acrnimo de First In, First Out) uma estrutura de dados do tipo fila onde o primeiro a entrar o primeiro a sair.
-
32
campos magnticos (HONEYWELL, 2012). utilizado na APM 2.5 para
possibilitar o clculo dos vetores de trajetria para todas as direes (WIKI-
Arducopter, 2012a).
O MS5611 um sensor que mede a presso atmosfrica (barmetro),
otimizado para altmetros e varimetros, e tem uma resoluo de 10 cm
(MEAS, 2012). Em sistemas de controle de voo, funciona indicando a altitude
do equipamento (altmetro) ou a velocidade vertical do equipamento
(varimetro), permitindo que os equipamentos se situem no eixo vertical de
maneira automtica.
Interfaces de comunicao e dispositivos externos:
A APM 2.5 possui diferentes interfaces de comunicao que permitem a
adaptao de diversos dispositivos externos ao sistema de controle. As
interfaces disponveis na APM, atualmente, so: I2C; UART; USB e SPI/ISP.
Em geral, as interfaces I2C e SPI/ISP so utilizadas para adicionar
novos sensores, tais como medidores de velocidade do vento e temperatura. A
interface USB utilizada para a comunicao entre computadores e a placa de
controle, permitindo que a placa seja programada e configurada. J a UART
utilizada para dispositivos externos mais complexos, onde necessria uma
comunicao intensa entre os dispositivos.
Os dois dispositivos externos selecionados para o projeto foram um GPS
e um sistema de telemetria: ambos utilizam a interface de comunicao UART
com portas especificamente dedicadas a eles.
GPS:
O GPS ou mais precisamente NNAVSTAR GPS (NAVSTAR GPS-
NAVigation System with Time And Ranging Global Positioning System) um
sistema de radionavegao baseado em satlites que orbitam ao redor da
terra, enviando sinais de radiofrequncia. As informaes enviadas pelos
satlites permitem que o receptor GPS calcule a distncia em que se encontra
dos satlites. Com base na informao de, pelo menos, quatro satlites, o
receptor pode estimar sua posio no globo (ALVES, 2006). Quanto maior a
sensibilidade do receptor e sua capacidade de processamento, maior ser a
sua preciso.
-
33
Levando em considerao o fato de que o equipamento ir realizar o
georreferenciamento de imagens e por consequncia deve apresentar uma boa
preciso, o receptor GPS escolhido para ser adicionado ao sistema foi GPS
3DR uBlox LEA-6 (U-BLOX, 2012). Tal receptor possui uma antena cermica
de alta sensibilidade, capacidade de processamento relativamente alta e
apresenta a melhor recepo e preciso entre os GPSs suportados pelo o
projeto ArduPilot.
Telemetria:
A necessidade de obter informaes do voo em tempo real, de realizar
configuraes no sistema sem a utilizao de fios e de abrir a possibilidade do
desenvolvimento de aplicaes que comandem o sistema atravs de
computadores motivou a incluso de um sistema de telemetria ao projeto. O
sistema escolhido foi o Kit de Telemetria 3DR Radio 915 Mhz (WIKI-Ardupilot,
2012). Tal sistema trabalha a uma frequncia de 915 mhz; tem uma taxa de
transmisso de dados de at 250kbs; seu alcance inicial de 2km, mas pode
alcanar vrios quilmetros dependendo apenas do conjunto de antenas
utilizado.
O sistema compatvel com o software de misso de solo do projeto
Ardupilot, possibilitando assim que as configuraes sejam feitas atravs do kit
de telemetria. Alm disso, o seu firmware OpenSourse e, portanto, sua
escolha corrobora com a busca de um projeto aberto que permita melhorias e
possibilite o aprendizado para o desenvolvimento de verses futuras.
ArduCopter
O firmware que controla toda a estrutura citada anteriormente o
sistema de piloto automtico para veculos de asa rotativa: o Arducopter. A
verso utilizada neste projeto a mais atual (2.8) e pode ser configurada para
controlar, tanto helicpteros, quanto multi-rotores com trs; quatro; seis ou oito
motores (ArduCopter, 2012b). Algumas das funcionalidades disponveis nesta
verso so:
Estabilizao automtica, manuteno de altitude e simplificao dos
controles para voos manuais.
-
34
WayPoints18 ilimitados para a determinao de rotas automticas
atravs do software MissionPlaner.
Com apenas um comando, pode ficar fixo em uma posio a qualquer
momento mantendo-se na posio sem necessidade de interferncia
manual.
Volta automaticamente para uma posio predeterminada, como ponto
inicial, ao ser comandado.
Misses podem ser configuradas atravs do sistema de telemetria,
inclusive durante o voo.
Realiza pousos e decolagens automaticamente.
Sistema de radio controle
O sistema de radiocontrole escolhido formado pelo rdio FUTABA 7C
e o receptor FUTABA, ambos com sete canais de comunicao. O sistema
trabalha com uma frequncia de transmisso de 2.4 Ghz, possui tecnologia
antiinterferncia Futaba Advanced Spread Spectrum19 (FASST) e seu alcance
pode chegar a 2 quilmetros sem amplificadores de sinal (FUTABA, 2012).
4.3. Montagem e Configurao
O primeiro passo para a montagem do equipamento foi a preparao do
frame para a adaptao dos outros equipamentos. Portanto, foi necessria a
troca dos braos do frame que possuam 33 cm e 13 mm de espessura, por
outros de 45 cm com a mesma espessura.
Com braos de 33 cm, a distncia de um motor a outro era de 30 cm.
Como a hlice tem 40 cm, existia um choque dos 5 centmetros finais de cada
hlice com as hlices vizinhas. Uma distncia adequada de uma hlice em
relao outra seria de, pelo menos, 5 cm. Tubos de 45 cm aumentam a
distncia de um motor a outro para 46 cm, permitindo assim a adequao das
hlices com uma distncia de 6 cm entre elas.
A soluo encontrada foi utilizar tubos de alumnio, pois so leves,
resistentes e estavam disponveis na regio. Um tubo de 6 metros de
18
So pontos predeterminados pelos quais o veculo deve passa de maneira autnoma durante o seu percurso. 19
Spread Spectrum uma tcnica de comunicao por radio frequncia na qual uma banda de comunicao pode ser dividida em varias outras para que diversos equipamentos se comuniquem ao mesmo tempo utilizando a mesma frequncia de comunicao.
-
35
Figura 9- Motores e braos encaixados.
comprimento, 13 mm de espessura e pesando 600 gramas foi adquirido para o
projeto. Como pode ser observado na Figura 7, foram cortados 6 tubos de 45
cm do tubo principal. Aps isso, as pontas foram lixadas para facilitar o
encaixe. Os tubos pesam 45 gramas, so mais resistentes e possuem 20
gramas a mais do que os tubos com 33 cm de fibra de carbono.
Figura 7 - Processo de confeco dos tubos de alumnio.
Aps a confeco dos tubos, foi feito o encaixe dos motores nos tubos.
Esse encaixe feito com a pea vista na Figura 8. Primeiro, parafusou-se os
motores na parte superior da pea, de forma que no permita vibrao na
juno, prevenindo assim folgas durante o voo. Aps o encaixe dos motores, a
pea foi presa na ponta dos tubos. Essa juno feita na parte inferior da
pea, onde existem dois encaixes emborrachados que so presos por presso
dos parafusos na pea. Esse tipo de encaixe diminui a vibrao da estrutura
final, pois o material emborrachado absorve parte dela. O resultado pode ser
visto na Figura 9.
Figura 8 - Pea de encaixe dos motores aos braos.
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Utilizando o mesmo tipo de encaixe mencionado anteriormente, as
estruturas de apoio foram adicionadas aos braos. Cada brao recebeu uma
estrutura que foi inserida a 16 cm do motor. Logo que os braos so
adicionados pea central, formado um hexgono de apoio com 31,5 cm de
distncia das suas pontas ao centro do frame. Dessa maneira, parte do peso
distribudo perto do brao, melhorando o equilbrio da estrutura e conseguindo
uma maior rea de apoio para pousos e decolagens.
Utilizando o mesmo processo de encaixe, os braos completos foram
adicionados pea central: cada brao foi preso a dois encaixes que esto
posicionados na entrada e no centro da pea. Como o ltimo encaixe fica cerca
de 8 centmetros dentro da pea, a mesma medida de cada brao fica inserido
na pea central, melhorando assim a rigidez da estrutura final do equipamento.
O frame ficou com 95 cm de envergadura e o resultado dos encaixes das
estruturas de apoio e do brao a pea central pode ser visto na Figura 10.
Figura 10 - Montagem do frame.
Com o frame montado, pode-se adicionar a parte eletrnica, porm,
antes de detalhar os processos de configurao e adaptao de cada
equipamento eletrnico estrutura, necessrio o entendimento do
funcionamento dos subsistemas do VANT e de como eles interagem entre si. A
Figura 11 ilustra cada um desses equipamentos e mostra a as interaes
realizadas entre eles.
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Figura 11 - Organizao dos equipamentos do VANT.
Seguindo o esquemtico da Figura 11, a alimentao do VANT
fornecida por duas baterias de 14,8V com 4 Ah de capacidade ligadas em
paralelo e conectadas a placa de distribuio de energia (conexo 1). Na placa
de distribuio, so soldados seis ESCs, de maneira que todos eles possam
receber os 14,8V fornecidos pelas baterias.
Como visto no tpico sobre os ESCs, eles possuem as entradas
alimentao, trs fases de controle para os motores, uma entrada PWM e duas
sadas de alimentao com 5 v. As entradas de alimentao so ligadas a
placa de distribuio (conexo 2); as trs fases so ligadas s entradas dos
motores (conexo 3); a entrada PWM ligada sada da APM 2.5 (conexo 4),
possibilitando, assim, o controle dos motores atravs dos sinais enviados pela
placa. Por fim, as duas sadas de alimentao com 5 v so ligadas s sadas
da placa juntamente com o sinal PWM (conexo 5), fornecendo, assim, a
alimentao necessria para o seu funcionamento.
A alimentao da placa pelos ESCs s possvel, pois os ESCs
possuem internamente um circuito eliminador de bateria mais conhecido como
BEC, do ingls batery eliminator circuit. Tal circuito transforma a tenso de
entrada em tenses mais baixas para possibilitar a alimentao de outros
circuitos ou dispositivos que trabalham em faixas de tenso menores que as
dos motores. Em geral, a tenso de sada de 5 v, porm a capacidade de
alimentao varia de acordo com o BEC embarcado no ESC. O ESC adquirido
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para o projeto possui um BEC que fornece uma corrente de at 2 A com uma
tenso constante de 5 v.
Como todas as sadas de alimentao dos seis controladores de
velocidade so ligadas nas sadas da placa de controle, e, de acordo com o
esquema eltrico da placa (DIY Drones, 2012), essas sadas esto dispostas
em paralelo, uma alimentao de 5 v com at 12 A de capacidade fica
disponvel para o sistema de controle. Considerando que a placa e os demais
dispositivos alimentados por ela no consomem mais que 1 A juntos, pode-se
constatar que a necessidade de alimentao do sistema de controle suprida,
e, caso um dos dispositivos apresente problemas, existiro outros cinco para
manter o sistema funcionando e possibilitar o pouso do equipamento.
Ainda na Figura 11, podemos ver que a APM 2.5 possui uma porta para
a adaptao do sistema telemetria e outra para o GPS. Ambas so portas de
comunicao UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter). A primeira
fornece 3,3v para o dispositivo de transmisso e recepo do kit de telemetria,
alm de disponibilizar outros quatro bits para a comunicao lgica entre a
placa de controle e o dispositivo Rx20/Tx21 (conexo 6). O GPS, por sua vez,
possui uma alimentao de 5 v e dois bits ficam disponveis para a
comunicao com o sistema de controle (conexo 7).
Por fim, o sistema recebe os sinais de controle atravs do receptor do
rdio Futaba 7c. Tal rdio possui 7 canais de comunicao, logo consegue
enviar at 7 sinais de controle para a APM 2.5. O rdio envia os sinais PWM
para o receptor, que os processa para eliminar eventuais interferncias e os
envia para suas sadas. As sadas, por sua vez, so conectadas s entradas do
sistema de controle (conexo 8) que as interpreta e realiza os movimentos ou
as rotinas determinadas. A alimentao necessria para o receptor de 5 v e
fornecida pelo sistema de controle atravs das suas entradas (conexo 9). Isso
possvel, pois elas esto ligadas em paralelo com as sadas de alimentao
da placa.
Para conectar e adaptar toda essa estrutura mencionada anteriormente
no frame, foram necessrios alguns procedimentos e adaptaes que sero
mencionados por tpicos e com detalhes a seguir. So eles:
20
Dispositivo de recepo de dados. 21
Dispositivo de transmisso de dados.
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39
Figura 12 Conector paralelo para duas baterias.
Figura 13 Plugs XT60 Baterias
Baterias;
Placa de distribuio;
ESCs, motores e Hlices;
Sistema de controle, sadas e GPS;
Telemetria, receptor de rdio e entradas;
Baterias
Como mencionado anteriormente, so utilizadas duas baterias 4s
(14,8V) conectadas em paralelo. Essa conexo pode ser vista na Figura 12 e
foi feita utilizando fios que suportam altas correntes e plugs XT60. So
utilizados dois plugs do tipo macho e um do tipo fmea: os machos so
conectados as baterias e a fmea conectada a placa de distribuio. Usando
esse tipo de plug, evita-se o risco de desconexes durante o voo e permite a
troca das baterias em solo com segurana. Para que as baterias pudessem ser
conectadas ao adaptador, foi necessria a troca dos seus plugs por outros
XT60 do tipo fmea (Figura 13).
As baterias so presas ao frame utilizando velcros, dessa forma, elas
ficam seguras durante o voo e podem ser retiradas com facilidade para serem
recarregadas ou trocadas por outras. Cada bateria presa na parte inferior e
nos cantos do frame com dois velcros (Figura 14), permitindo assim que a
estrutura continue equilibrada e que o centro fique livre, para que a cmera do
sistema de georreferenciamento possa ser adicionada.
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40
Figura 14 - Insero da bateria.
Placa de distribuio
Na placa de distribuio de energia, foi necessrio realizar a solda dos
seis ESCs nos polos de distribuio negativos e positivos da placa. Alm disso,
foi adicionado o conector macho XT60 na entrada de energia para possibilitar a
conexo com o adaptador paralelo ou em uma das baterias. O processo
descrito pode ser visto na Figura 15.
Figura 15 - Solda dos componentes da placa de distribuio.
Foram feitos dois furos no frame para que a placa pudesse ser
parafusada no centro da sua estrutura de forma segura e de maneira que
facilitasse a distribuio dos ESCs nos braos do frame (Figura 16). Para evitar
curtos durante o voo, provocados por umidade ou materiais condutores que
eventualmente caiam na placa, foram aplicadas trs camadas de esmalte
(isolante eltrico) para proteger as conexes.
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41
Figura 16 - Adicionando placa a placa de distribuio ao frame.
ESCs, motores e Hlices
Cada ESC foi preso ao brao onde est posicionado o motor que ir
controlar, com o propsito de tornar a conexo entre ambos intuitiva e
simplificada. Os ESCs foram presos ao brao com fita isolante e de maneira
que o dissipador de calor ficasse encostado ao brao. Dessa forma, os braos
de alumnio facilitam o resfriamento dos ESCs e aumentam seu rendimento
(Figura 17).
Figura 17 - Adaptao dos ESCs.
Para realizar o encaixe entre os motores e os ESCs, foram utilizados
conectores Bullet 3,5m: esses conectores so resistentes, possuem alta
condutividade e so usados em larga escala para esse tipo de conexo. Os
motores adquiridos j possuam os conectores Bullet machos nas suas
entradas. Foi necessrio apenas realizar a solda dos conectores Bullet fmea
nas sadas dos seis ESCs (Figura 18). Alm disso, foram adicionados tubos
termo retrteis22 para evitar toques entre as fases dos ESCs.
22
So tubos feitos de material isolante que, ao serem aquecidos, reduzem o seu tamanho. So utilizados para isolar conexes de maneira segura e organizada.
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42
Figura 18 - Bullets 3,5 mm macho e fmea.
Para a insero das hlices utilizou-se um adaptador de hlice do tipo
pina. Este tipo de adaptador, ao ser parafusado, preso ao eixo do motor pela
presso das suas pinas, mantendo sua estrutura e a hlice fixas. Contudo,
foram necessrias adaptaes para que as hlices escolhidas fossem
suportadas: o furo central da hlice teve que ser alargado, para possibilitar a
passagem do eixo do adaptador na hlice. Alm disso, pelo fato das hlices
escolhidas serem muito finas, em cada adaptador foi adicionada uma porca
entre os dois pontos de presso do adaptador, mantendo assim as hlices fixas
e estveis. A Figura 19 ilustra o processo descrito.
Figura 19 - Insero das hlices.
Sistema de controle, sadas e GPS
Um novo nvel, acima da placa de distribuio, foi adicionado ao frame
para facilitar a insero da APM 2.5 e do GPS. Tais dispositivos foram presos
ao frame atravs de parafusos acoplados em suas extremidades e nos furos
feitos no novo nvel (Figura 20).
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43
Figura 20 - Posicionamento da APM 2.5 e do GPS
A placa teve que ser posicionada de acordo com o norte da bssola
embarcada em seu sistema. O norte (indicado com uma seta na placa) deve
ficar em linha reta com um dos seis motores. O motor indicado passa, ento, a
ser a parte frontal do equipamento, alm de servir de referncia para o
posicionamento do controle de cada motor nas sadas da placa e para o
sentido de rotao de cada hlice.
J o GPS foi colocado neste local, pois mais elevado e possui uma
distncia adequada em relao aos equipamentos de comunicao, facilitando,
assim, a recepo do sinal dos satlites de posicionamento global e diminuindo
a possibilidade de interferncias.
Como mencionado anteriormente, o posicionamento de cada sada de
controle deve levar em considerao o posicionamento da placa em relao
aos motores. A Figura 22 ilustra a numerao de cada motor e deve ser
respeitada, pois a partir dessa organizao que o equipamento poder se
orientar. Considerando a numerao dos motores, cada ESC foi ligado s
respectivas sadas da APM 2.5 utilizando um conector padro JR (Figura 21).
Tal conector possui trs conexes e, no caso dos ESCs, elas esto dispostas
da seguinte forma: negativo, positivo e sinal. O positivo e o negativo so
relativos alimentao de 5 v que vem do BEC do ESC para suprir a placa; j
o sinal o sinal PWM enviado pelo sistema de controle para o ESC.
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Telemetria e receptor de rdio e entradas
O sistema de tremeteria e o receptor do rdio foram colocados o mais distante
possvel do GPS, com o intuito de diminuir possveis interferncias (SOUSA C.
R, 2005). O sistema de telemetria foi colocado no nvel inferior do frame. Como
na placa no existem furos que permitem prend-la ao frame com parafusos,
utilizou-se um material esponja reciclado de embalagens de eletrnicos,
recortado em formato de caixa, e preso ao frame com cola quente. O
equipamento de telemetria foi, ento, colocado na caixa, coberto e preso com
um cabo de encaixe ( Figura 23).
Figura 23 - Rx/tx Telemetria.
O receptor do rdio foi preso com fita isolante no brao distante, tanto do
rx/tx da telemetria, quanto do GPS. Suas duas antenas receptoras foram
colocadas de maneira perpendicular, uma em relao outra, para melhorar
sua recepo conforme indicado o manual do rdio Futaba 7c (FUTABA, 2007).
As entradas da APM 2.5 foram conectadas as sadas do receptor do rdio
Figura 22 - Posicionamento dos motores. Fonte: (ArduCopter, 2012d).
Figura 21 - Entrada do ESC conectada a sada da AMP 2.5. Fonte: (ArduCopter, 2012c).
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utilizando cabos confeccionados com conectores padro Jr, retirados de sucata
de computadores. Isso foi necessrio, pois esse tipo de cabo no est
disponvel para compra no Brasil. A Figura 24 ilustra o posicionamento do
receptor e a confeco dos cabos.
Figura 24 - Instalao do receptor de radio.
O resultado final da montagem da estrutura pode ser visto abaixo na Figura 25.
Nela, pode ser observado ainda o equilbrio da estrutura.
Figura 25 - Estrutura montada.
Aps o termino da montagem do equipamento, necessrio realizao
de diversas configuraes para que o sistema funcione em conformidade com
o conjunto de equipamentos escolhidos. Neste projeto, essas configuraes
podem ser divididas em dois tipos: usuais e especficas.
As usuais so configuraes padres que devem ser realizadas no
sistema de controle para que seus sensores, comandos e respostas funcionem
corretamente. So elas: instalao do firmware de controle, definio do tipo
de equipamento, calibrao dos canais de entrada em relao ao radio,
habilitao dos hardwares auxiliares, calibrao dos sensores, calibrao e
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46
sincronizao dos ESCs, configurao do sentido de rotao das hlices, entre
outros. Tais procedimentos esto detalhados na wiki do projeto Arducopter
(WIKI-Arducopter, 2012b) e foram realizados utilizando o software Mission
planer, a interface USB e o sistema de telemetria.
As especficas so configuraes feitas especificamente para a estrutura
desenvolvida neste projeto, e tem por objetivo extrair o melhor desempenho
dos equipamentos escolhidos ou preparar o veculo para uma melhor
experincia de voo.
Programao dos ESCs
Os ESCs so uma parte importante do sistema: quanto melhor o seu
rendimento, melhor ser a eficincia e a estabilidade do equipamento. Os
ESCs escolhidos para o projeto possuem diferentes parmetros de
configurao que permitem adapt-los para diferentes objetivos. Para realizar
tais adaptaes, foi necessrio adquirir um carto de programao para ESCs.
Tal equipamento possui uma interface de comandos que envia sinais para
realizar a reprogramao de um ESC.
Com o carto, possvel modificar o tipo de bateria utilizado, a tenso
de corte do motor, o tipo de corte, modo de inicializao e o tempo de
atualizao dos comandos.
A definio exata do tipo de bateria e sua faixa de operao permite um
melhor aproveitamento energtico do sistema de propulso.
A habilitao da tenso de corte do motor possibilita que a alimentao
do motor seja transferida para a alimentao do sistema de controle,
caso a bateria esteja acabando, permitindo assim que o veculo
mantenha seus controles ativos e pouse. J o tipo de corte, o
parmetro que define se esse ser gradual ou imediato. No caso do
veculo em desenvolvimento, esse corte foi configurado como ativo e
gradual.
O modo de inicializao tem haver com o tempo para atingir a
acelerao mxima do equipamento e pode ser configurada para ser
rpida, mdia ou lenta. Neste projeto foi configurada como mdia, pois
motores de baixo KV trabalham melhor com aceleraes medianas.
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Por fim, o tempo de atualizao dos comandos para os motores ou
timing varia de acordo com o nmero de polos do motor e suas taxas de
rotao. Quanto maior o timing, maior a taxa de atualizao dos
comandos, e maior ser o gasto energtico do conjunto. Motores com
muitos polos e que trabalham com altas rotaes precisam de taxas de
atualizao elevadas. Como o motor desse projeto possui trs polos e
trabalha em taxas de rotao baixas, o padro escolhido foi o baixo.
Escolha dos modos de voo
A depender do tipo de aplicaes que se deseja realizar com o veculo,
um conjunto de modos de voo deve ser selecionado para facilitar a utilizao
do equipamento. Atualmente o projeto Arducopter possui vrios modos de voo
que podem ser vistos com detalhes em sua wiki (WIKI-Arducopter, 2012c).
Esses modos precisam ser configurados para possibilitar a troca entre eles
pelo radiocontrole. Para isso necessrio configurar um dos canais do rdio,
para que, a depender da intensidade do sinal do rdio, a troca entre os modos
seja realizada.
O rdio Futaba 7c, escolhido para este projeto, possui uma chave de
controle no seu canal sete que envia trs faixas diferentes de sinal PWM, a
depender da posio da sua chave. Utilizando o Mission Planer, o sistema foi
configurado para receber os sinais do canal sete do rdio e modificar seu modo
de voo de acordo com a posio da chave. Portanto, foram configurados trs
modos diferentes para o equipamento: na posio um o modo Stabilize, na
posio dois o modo Loiter e na posio trs o modo Auto.
O modo Stabilize funciona manualmente atravs dos controles do rdio.
O sistema apenas recebe os comandos e mantm o equipamento na
posio indicada pelo usurio.
O modo Loiter, quando ativado, mantm o equipamento fixo na posio,
onde a troca de modo foi feita. O sistema de controle corrige
automaticamente altitude e diferenas de posicionamento, tentando
manter o equipamento o mais prximo possvel do ponto indicado.
J o modo Auto, realiza a misso pr-programada atravs do mission
planer e gravada na sua memria. Utilizando esse modo, o usurio pode
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traar vrios pontos de passagem para o equipamento e ele far o
percurso de maneira autnoma.
Parmetros estruturais
O firmware Arducopter trabalha com alguns parmetros de configurao
que so relativos ao conjunto de equipamentos que se est usando e ao tipo
de resposta que se espera deles, tais como: peso da estrutura; tipo de motor;
tamanho das hlices; acelerao; e resposta a variaes de altitude e
estabilidade. Em geral, essas configuraes so feitas variando os parmetros
dos controladores PID (Controle Proporcional Integral Derivativo) utilizados
pelo firmware. A depender dos valores configurados em cada uma dos
parmetros - proporcional (P), integral (I) e derivativo (D) - no empuxo, na
velocidade e nas rotas de navegao, isso ir impactar diretamente na
estabilidade e na preciso do veculo. No h um padro para a modificao
desses parmetros. Existe um processo exemplificado em WIKI-Arducopter,
(2012d), onde so realizados variaes e anlises para encontrar a melhor
configurao. No Apndice B podem ser vistos esses e todos os 245
parmetros de configurao do firmware Arducopter 2.8 utilizados nesse
projeto. importante que, com o tempo e o amadurecimento do projeto, esses
parmetros evoluam em conjunto com o sistema.
4.4. Sistema de Georreferenciamento
O sistema de georreferenciamento de imagens baseado no modo
automtico de funcionamento do equipamento. Neste modo, podem ser
definidos pontos especficos de passagem ou polgonos preenchidos com um
grau adaptvel de densidade de waypoints (Figura 26). Esses pontos so
percorridos de maneira autnoma pelo veculo. A ideia do sistema fazer com
que, quando o veculo passe pelos waypoints, ele se estabilize e tire uma
fotografia.
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Figura 26 - Definio de rota automtica do VANT.
A cmera escolhida para o projeto foi a GoPro Hero 2; pois leve,
pequena e possu vrios assessrios que possibilitam a sua adaptao no
frame. Alm disso, tem um sensor ptico de 11 megapixels, grava vdeos em
HD e possui uma comunidade ativa de usurios (GoProUser, 2012a), os quais
realizam diversos estudos sobre o seu hardware e firmware, com o intuito de
adapt-la s mais diferentes funes.
A cmera foi adaptada ao frame utilizando sua capa, um dos seus
braos de apoio e seu suporte curvo adesivo. A capa protege a cmera e
possibilita adaptao do brao; o suporte curvo adesivo (3M23) preso no
centro inferior do frame e possui um encaixe para o brao, dessa forma, o
brao pode ser preso ao frame e depois capa ( Figura 27). Como o brao
adaptvel, ele foi configurado para deixar a cmera paralela ao solo. Logo, com
a cmera no centro do equipamento e apontada pra baixo, possvel
relacionar as posies do GPS do equipamento s posies das imagens
capturadas pela cmera.
23
So adesivos muito fortes que permitem a fixao de suportes para as mais variadas aplicaes.
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50
Figura 27 - Adaptao da cmera ao frame.
O sistema de georreferenciamento desenvolvido envia sinais de controle
atravs da APM 2.5, para que a cmera tire fotografias no momento em que o
equipamento estiver nos waypoints. Para isso foi necessrio, primeiro,
encontrar formas de controlar a cmera externamente.
Analisando os estudos que foram realizados no firmware da cmera
GoPro Hero 2 e alguns projetos de controles externos para a primeira verso
da GoPro, contidos em seu grupo de usurios (GoProUser, 2012b),
constatou-se que a interface para a adaptao de dispositivos externos ou
BUS24 da GoPro hero 2 poderia ser utilizada para realizar seu controle.
Esse BUS possui trinta pinos de entrada e possibilita o acesso a
diversas funes da cmera. Uma anlise detalhada sobre o BUS da GoPro foi
feito em RIDAX (2012) e resumido na Tabela 4.
Tabela 4 - Lista das funes dos pinos da GoPro.
Pinos Funo
1 GND
2 R video out component Pb/Cb or composite
3 G video out component Y
4 B video out component Pr/Cr
5 USB +5V Power
6 USB +5V Power
7 USB Data+
24
uma interface de comunicao que disponibiliza entradas e sadas para a comunicao com dispositivos externos.
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8 USB Data-
9 GND
10 Audio out Right
11 Audio out Left
12 Pwr/Mode Button
13 Playback mode button
14 Audio in Right
15 Audio in Left
16 IR input
17 Trig digital output
18 GND (Ainda no definido)
19 ID1 digital input
20 ID2 digital input
21 ID3 digital input
22 ID4 digital input
23 Adapter output Alimentao para equipamentos externos atravs da cmera
24 Adapter output Alimentao externa, porm apenas com a cmera ligada
25 VBat+ external power input (Ainda no definido)
26 VBat+ external power input (Ainda no definido)
27 GND
28 DATA interface I2C
29 CLK interface I2C
30 GND
Fonte: (RIDAX, 2012).
Como pode ser visto na Tabela 4, cada pino possui uma funo
especfica e foi padronizada uma numerao para esses pinos. A maioria dos
estudos do firmware da GoPro uti