desenvolvimento de um veÍculo aÉreo nÃo tripulado para monitoramento de regiÕes desmatadas...

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

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE SANTA CRUZ





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





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)

DEDICATRIA

Dedico a minha me Valeria Mimoso, pois dela que vem tudo que sou.

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.

V




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.

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

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.

8

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

9

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.

10

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,

11

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.

12

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:

13

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.

14

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

15

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.

16

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.

17

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

18

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.

19

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;






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.

36

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.

37

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

38

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.

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.

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.

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.

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).

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.

44

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).

45

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

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.

47

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

48

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.

49

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.

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.

51

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




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

desenvolvimento de um veÍculo aÉreo nÃo tripulado para monitoramento de regiÕes desmatadas...

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