VEÍCULO AÉREO NÃO TRIPULADO QUADRIRROTOR: Aspectos Construtivos

FASB – FACULDADE DO SUL DA BAHIA Engenharia de Controle e Automação

Waldri dos Santos Oliveira

VEÍCULO AÉREO NÃO TRIPULADO QUADRIRROTOR: Aspectos Construtivos

TEIXEIRA DE FREITAS – BAHIA 2014

Waldri dos Santos Oliveira

VEÍCULO AÉREO NÃO TRIPULADO QUADRIRROTOR: Aspectos Construtivos

Trabalho de Conclusão de Curso, apresentado ao colegiado de Engenharia de Controle e Automação da Faculdade do Sul da Bahia como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel. Zamith

Orientado

França

pelo

Professor

MsC.

e

coorientado

pelo

Neto

Professor Esp. Ozeas dos Santos Silva.

TEIXEIRA DE FREITAS – BAHIA 2014

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (Biblioteca Santa Clara da Faculdade do Sul da Bahia, BA, Brasil) O48v

Oliveira, Waldri dos Santos Veículo aéreo não tripulado quadrirrotor: aspectos construtivos / Waldri dos Santos Oliveira – 2014. 66f. Orientador: Zamith França Neto, Ozeas dos Santos Silva Monografia (Graduação) - Faculdade do Sul da Bahia, Colegiado de Engenharia de Controle e Automação. 1. VANT. 2. Drone. 3. PID. I. França Neto, Zamith. II. Silva, Ozeas dos Santos. R. III. Faculdade do Sul da Bahia. IV. Título CDD – 629.0460228

WALDRI DOS SANTOS OLIVEIRA

VEÍCULO AÉREO NÃO TRIPULADO QUADRIRROTOR: Aspectos Construtivos

Monografia apresentada ao Curso de Engenharia de Controle e Automação, da Faculdade do Sul da Bahia – FASB, como requisito parcial para obtenção do título de bacharel em Engenharia de Controle e Automação.

Banca Examinadora

Prof. Esp.: Alexandre Amaral Silvares

Julgamento

____________________________

Faculdade do Sul da Bahia - FASB

Prof. Esp.: Daniel Silva Santos

____________________________

Faculdade do Sul da Bahia - FASB

Prof. MsC: Zamith França Neto

____________________________

Faculdade do Sul da Bahia - FASB

Teixeira de Freitas, Bahia, ____/____/____

AGRADECIMENTOS

Agradeço ao Criador pelo dom da vida e por soprar em mim um espirito perseverante, que busca a verdade e o conhecimento. A minha família pelos ensinamentos que sempre me guiaram por caminhos de retidão. A minha mãe Adriana, pela proteção incondicional. A meu pai Valdemiro, pelas lições que lapidaram meu caráter e me tornaram cidadão e homem de bem. Aos amigos que fiz, antes e durante a faculdade os colegas, funcionários e professores.

"Saber muito não lhe torna inteligente. A inteligência se traduz na forma que você recolhe, julga, maneja e, sobretudo, onde e como aplica esta informação." Carl Sagan

RESUMO

Este trabalho visa à descrição e montagem de um veículo aéreo não tripulado (VANT), em miniatura de quatro rotores, como prelúdio de estudos mais aprofundados. Objetiva, também fazê-lo com o maior número de componentes de desenvolvimento e/ou montagem própria, a fim de proporcionar o menor custo e diversificar a gama de conhecimentos, os quais são detalhados ao longo deste documento. Os resultados da pesquisa expuseram quantidade significativa de aplicações, que possibilitam a geração e fornecimento de novos serviços, tanto da iniciativa privada quanto governamental. O protótipo montado, ao final deste projeto, possui controlador, atuadores e sensores muito precisos, os quais são submetidos a ensaios de programação, e a experimentos de técnicas de controle clássico, tal como o consolidado controle Proporcional, Integral e Derivativo (PID). Levanta também, informações de custos, e avalia a viabilidade comercial e empreendedora da ideia. Todos os testes atenderam às expectativas, e, além disso, apontaram para possibilidade de maiores estudos e consequentes aperfeiçoamentos.

PALAVRAS-CHAVE: VANT; Quadrirrotor; Drone;

ABSTRACT

This paper describes and mounting an unmanned aerial vehicle (UAV), miniature four-rotor, as a prelude to further study. It also aims to do it more developing components and / or assembly itself, to provide the lowest cost and diversify the range of knowledge, which are detailed throughout this document. The research results have exposed significant number of applications, which allow the generation and supply of new services, both private and governmental initiative. The prototype mounted at the end of this project has controller, highly accurate sensors and actuators, which are subjected to testing schedule, and control techniques classic experiments such as the consolidated control Proportional, Integral and Derivative (PID). It also raises because of cost, and assess the commercial viability and enterprising idea. All tests met the expectations, and in addition, pointed to the possibility of further studies and consequent improvements.

KEY WORDS: VANT; Quadrirrotor; Drone;

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1.

Primeiro Quad Rotor Bréguet-Richet Gyroplane ....................... 17

Figura 2.2.

Quadrirrotor Oemichen ............................................................. 17

Figura 2.3.

Teste do Quadrirrotor de Nicolas Florina .................................. 18

Figura 2.4.

Ar Mult rotor da Parrot ............................................................... 19

Figura 2.5.

Draganflyer X4-ES .................................................................... 20

Figura 2.6.

Quadrirrotor UNB ...................................................................... 20

Figura 3.1.

Diagrama de atividades ............................................................ 23

Figura 4.1.

Perfil das hastes........................................................................ 24

Figura 4.2.

Layout do Quadrirrotor (elaborado em SolidWorks) .................. 25

Figura 4.3.

Placa de Fenolite função estrutural e elétrica ........................... 26

Figura 4.4.

Estrutura Principal - Frame ....................................................... 26

Figura 4.5.

Bateria Lipo ............................................................................... 28

Figura 4.6.

Simulação (eficiência energética) ............................................. 28

Figura 4.7.

Buzzer, alarme sonoro .............................................................. 29

Figura 4.8.

Formas de onda geradas pelo ESC .......................................... 30

Figura 4.9.

Esquema do Motor Brushless ................................................... 31

Figura 4.10.

Modelo Hélice ........................................................................... 32

Figura 4.11.

Torque, Potência e Eficiência do propulsor............................... 33

Figura 4.12.

Rádio Controle (emissor e receptor) ......................................... 34

Figura 4.13.

Sinal do rádio no Osciloscópio .................................................. 35

Figura 4.14.

Canais do Rádio transmissor .................................................... 35

Figura 4.15.

Funcionamento de acelerômetro............................................... 36

Figura 4.16.

Sensor MPU6050 e sua placa SMD.......................................... 37

Figura 4.17.

Funcionamento do Giroscópio .................................................. 37

Figura 4.18.

Placa confeccionada por foto revelação ................................... 39

Figura 4.19.

Modelo Quadrirrotor .................................................................. 37

Figura 4.20.

Decomposição geométrica do vetor gravidade ......................... 38

Figura 4.21.

Gráfico do Malab. (leitura dos sensores) .................................. 39

Figura 4.22.

Fusão sensorial ......................................................................... 43

Figura 4.23.

Organograma do firmware ........................................................ 46

Figura 5.1.

Teste de empuxo e payload ...................................................... 48

Figura 5.2.

Base de testes .......................................................................... 49

Figura 5.3.

Sistema dessintonizado. ........................................................... 50

Figura 5.4.

Sistema sintonizado .................................................................. 50

Figura 6.1.

Montagem final.......................................................................... 53

LISTA DE TABELAS

TABELA 2.1 - Aplacações ........................................................................ 21 TABELA 4.1 - Características do microcontrolador Atmega328 ................. 38 TABELA 4.2 - Variação de velocidade de motores em manobras.............. 40 TABELA 4.3 - Fatores de sintonia de Ziegler e Nichols ............................. 44 TABELA 5.1 – Autonomia de bateria.......................................................... 47 TABELA 6.1 – Cotação de preços.............................................................. 51

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ESC

Electronic speed controller

GPS

Global Positioning System

I2C

Inter-Integrated Circuit

IMU

Inertial Measurement Unit

LiPO

Lithium-Polymer

MEMS

Micro Electro-Mechanical Systems

PCB

Printed Circuit Board

PID

Proportional-integral-derivative

PWM

Pulse Width Modulation

RF

Radio Frequency

SMD

Surface Mount Device

UAV

Unmanded Aerial Vehicle

VANT

Veículo Aéreo Não Tripulado

VTOL

Vertical Take-Off and Landing

SUMÁRIO

RESUMO.......................................................................................................... I LISTA DE FIGURAS ........................................................................................ II LISTA DE TABELAS ....................................................................................... III LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS .......................................................... IV 1.

INTRODUÇÃO ...................................................................................... 13

1.1.

OBJETIVO GERAL ................................................................................ 13

1.2.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS.................................................................. 14

1.3.

PROBLEMA ........................................................................................... 14

1.4.

MOTIVAÇÃO ......................................................................................... 14

1.5.

ESTRUTURA DO TRABALHO .............................................................. 14

2.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................. 16

2.1.

HISTÓRICOS ........................................................................................ 16

2.2.

QUADRIRROTOR NA ATUALIDADE .................................................... 19

2.3.

APLICAÇÕES. ....................................................................................... 21

3.

METODOLOGIAS ................................................................................. 22

4.

DESENVOLVIMENTO ........................................................................... 24

4.1.

REQUISITOS......................................................................................... 24

4.2.

COMPONENTES ................................................................................... 27

4.2.1. Bateria................................................................................................... 27 4.2.2. Monitor de bateria (Buzzer)................................................................. 29 4.2.3. ESC ....................................................................................................... 29 4.2.4. Motor brushless ................................................................................... 30 4.2.5. Propulsores .......................................................................................... 32 4.2.6. Radio controle ...................................................................................... 34 4.2.7. Acelerômetro ........................................................................................ 36 4.2.8. Giroscópio ............................................................................................ 37 4.2.9. Microcontrolador ................................................................................. 38 4.3.

MODELAGEN DO SISTEMA ................................................................. 39

4.3.1. Lógica De Voo ...................................................................................... 39 4.3.2. Acelerômetro ........................................................................................ 41 4.3.3. Giroscópio ............................................................................................ 42

4.3.4. Fusão Sensorial ................................................................................... 42 4.3.5. Controle PID ......................................................................................... 43 4.3.6. Sintonia................................................................................................. 44 4.4.

FIRMWARE ........................................................................................... 45

5.

TESTES E RESULTADOS .................................................................... 46

5.1.

AUTONOMIA DE VOO .......................................................................... 46

5.2.

PAYLOAD (CARGA ÚTIL) ..................................................................... 46

5.3.

RESISTÊNCIA ....................................................................................... 47

5.4.

SINTONIA .............................................................................................. 49

6.

CONSIDERAÇÕES FINAIS .................................................................. 51

REFERÊNCIAS ................................................................................................ 54 GLOSSÁRIO .................................................................................................... 58 APÊNDICE A - PLANILHA DE CUSOTOS (resumida) .................................. 59 APÊNDICE B - DIAGRAMAÇÃO DA PLACA CONTROLADORA ................. 60 APÊNDICE C - BASE PARA TESTES SEGUROS E SINTONIA DE PID ....... 61 APÊNDICE D – CRONOGRAMA .................................................................... 62 APÊNDICE E – LINKS ..................................................................................... 64 ANEXO A - UOL NOTICIAS ............................................................................ 65 ANEXO B - CIRCULAR DE INFORMAÇÕES AERONÁUTICAS .................... 66

13

1.

INTRODUÇÃO

Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT), ou do Inglês Unmanded Aerial Vehicle (UAV), são aeronaves de médio ou pequeno porte, sem piloto e dotadas de um conjunto integrado de equipamentos: Fonte de energia, sensores, propulsores, computadores, link de comando e estação remota de controle. Com classificação em grupos: os de Asas Fixas, ou Aviões; os mais leves que o ar ou Balões; e em destaque os de asas móveis ou helicópteros, objetivo de estudo deste trabalho, em especial os Multcopteros¹, de quatro asas móveis ou Quadrirrotores. Assim como os helicópteros, são classificados como Vertical Take-Off and Landing (VTOL), capacidade de decolar e pousar verticalmente, e operar em Hover (pairar no espaço em uma coordenada fixa). A princípio seu uso e desenvolvimento eram de caráter militar, justificada principalmente pelos grandes custos de suas tecnologias embarcadas. Em virtude da miniaturização de tecnologias, em destaque a tecnologia Micro ElectroMechanical Systems (MEMS), técnica de miniaturização na escala de um a cem micrometros, começou-se a popularização e construção em larga escala. Des de que se expandiu o leque de aplicações, muitas empresas e instituições de ensino pelo mundo se dedicaram ao desenvolvimento e às aplicações desta tecnologia. Em destaque, a utilização relacionada à captura de imagens aéreas. Em decorrência, surgem novos nichos de empreendimentos ao redor desses equipamentos, tanto no comércio de produtos quanto nos serviços, voltados a diversas áreas, criando novas oportunidades, melhorando e inovando tantas outras.

1.1.

OBJETIVO GERAL

Descrever as etapas de construção de um quadrirrotor, com menor custo de investimento possível, e com maior número de componentes elaborados com recursos próprios.

________________________________________________________ ¹ Denominação para veículos aéreos não tripulados de várias asas fixas.

14

1.2.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS •

Construir um protótipo de Quadrirrotor, para adquirir conhecimentos, nas áreas de: programação, aerodinâmica e técnicas de estabilidade de voo, e controle clássico PID (Proporcional Integral e Derivativo).

•

Avaliar a viabilidade econômica do projeto, relacionar custos e eficiências com as plataformas de Quadricóptero comerciais, já existentes.

1.3.

PROBLEMA

Os Veículos Aéreos Não Tripulados multirotores são uma tecnologia emergente, e é considerada de grande impacto positivo, para melhoramento e fornecimento de novos produtos e serviços. Porém, a temática dos VANTs é pouco explorada na América do Sul, representando apenas 2% do mercado mundial. Diante disso, de que forma pode ser construído um protótipo de quadrirrotor funcional e competitivo para o mercado?

1.4.

MOTIVAÇÃO

Devido ao eminente impulso tecnológico no desenvolvimento de Multirotores, também à grande aplicabilidade em diversas áreas, tais como: segurança; militar; monitoramento; filmagem e fotografia; transporte de pequenas cargas, e muitas outras. Por ser algo relativamente novo, e, desafiador, sugere-se este trabalho para fins de estudos diversificados de um VANT de asas móveis.

1.5.

ESTRUTURA DO TRABALHO

A fim de organizar este estudo, o trabalho foi dividido em cinco capítulos, sendo o primeiro este em que se apresenta um enunciado histórico geral sobre o tema.

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No segundo capítulo, apresenta-se uma revisão bibliográfica de relevância cronológica. O terceiro capítulo expõe o desenvolvimento da metodologia de pesquisa. O desenvolvimento (Capítulo 4) foi subdividido em etapas, classificadas em temáticas distintas para o funcionamento do Multirotor: Hardwares e softwares. No primeiro tópico (4.1. REQUISITOS) são observados as funcionalidades básicas do todo o sistema. Em seguinte (4.2 COMPONENTES) são descritos os componentes físicos (Hardware) do dispositivo, descrevendo suas características e funções que desempenham no projeto. Na etapa seguinte do desenvolvimento (4.3 MODELAGEM DO SISTEMA), é feita uma análise do funcionamento dos dispositivos e, através de recursos algébricos e matemáticos, descrevem os fenômenos físicos envolvidos no funcionamento dos mecanismos que compõem a planta. Por último as implicações dos passos anteriores são traduzidas em um software funcional de controle (4.4 FIRMWARES). A partir daí são extraídos os resultados (Capítulo 5), através de testes específicos, que convergem nas Considerações Finais. Temoos ainda os elementos pós-textuais, que são as Referências, Glossário, Apêndices e Anexos.

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2.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Existem muitos trabalhos relevantes sobre, quadricópteros e multirotores. Veremos sobre uma ótica cronológica, dês de sua origem, passando pela motivação, evolução e situação atual, nos âmbitos acadêmicos e mercadológicos. Porém, os avanços desta tecnologia, que é dado, em grande parte, por grupos de pessoas isoladas, em sua maioria hobbistas¹ de aeromodelos, pessoal, em sua maioria estudantes, de níveis técnicos e até mesmo curiosos, no entanto, cada vez mais cresce a participação da comunidade acadêmica, em destaque para as engenharias, que contribuem, cientificamente, para melhorias e, sobretudo o emprego ideal e seguro. Apesar de haver relatos de veículos aéreos não tripulados, datados de 425 AC. COSTA (2012), em especial os quadrimotores, relatados por LEISHMAN (2000), também possuem relatos históricos do século passado. Os avanços dos multirotores são recentes, com trabalhos significativos na academia (entre artigos e teses) desde ano de 2008 como Modelagem e Controle De Quadrirrotores SANTANA e BORGES (2009), aos anos atuais, com: Algoritmos de Controle Aplicados à Estabilização do Vôo de um Quadrotor SKIBA (2012). Os Quadricóptero, atualmente tem ganhado destaque na comunidade acadêmica, o que gera constante desenvolvimento e se tornando objetivo de pesquisa de muitos autores, nas fases de Graduação com SKIBA (2012), Mestrado em MELO (2010) e Vieira (2011) e Doutorado.

2.1.

HISTÓRICO

Mesmo que a popularização seja crescente apenas nos últimos anos, em nível da sociedade civil, principalmente círculo dos aeromodelistas e acadêmicos, os primeiros registros de Quadrirrotores datam desde 1906 com o experimento fracassado do professor e cientista francês, com o Quadrirrotor Bréguet-Richet Gyroplane, relatado por LEISHMAN (2000). Dois anos depois foi concluído por um ________________________________________________________ ¹ Indivíduo que pratica um hobby (Atividade de recreio ou descanso praticada nas horas de lazer).

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de seus alunos, Louis Bréguete, com o seu irmão Jacques.

FIGURA 2.1 – Primeiro Quad Rotor Bréguet-Richet Gyroplane Fonte: LEISHMAN p. 5

Mais tarde na década de 1920 com um jovem engenheiro da Peugeot, Etienne Oemichen, com o Quadrirrotor chamado Oemichen, pesando cerca de 800 Kg, dotado de um motor de 180HP, ligados a quatro propulsores principais e outros oito menores. Como visto na FIGURA 2.2, e conseguiu fazer cerca de 100 voos com ligeira estabilidade, a 7,8km/h, porem, com apenas 5 metros de altitude, muito longe do exigido pelo exercito . O projeto foi cancelado devido ao baixo rendimento e altos custos (VIEIRA, 2011).

FIGURA 2.2 – Quadrirrotor Oemichen Fonte: LEISHMAN p. 7.

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Também há relatos na Bélgica, no período de 1929-1930, onde o engenheiro Russo Nicolas Florina construiu um dos mais bem sucedidos Quadrirrotores, voando cerca de 9 Minutos a uma altitude de 15 metros. No entanto, o projeto encontrou diversos contratempos, e por fim, foi abandonado com o começo da Segunda Guerra Mundial e destruída durante a Guerra (LEISHMAN, 2000).

FIGURA 2.3 – Teste do Quadrirrotor de Nicolas Florina. Fonte: LEISHMAN p. 9

Existem muitos outros relatos de projetos e protótipos similares na história, porém a maioria deles, se não todos, esbarraram nos problemas de controle e estabilidade, alguns chegavam a possuir dois pilotos. Estes fatos explicitam os percalços enfrentados pelos engenheiros da época, nas matérias de controle e estabilidade. Estes fatos contribuíram para o não desenvolvimento deste tipo de aeronave, e, consequentemente, o arquivamento e abandono de diversos projetos ao longo da história (LEISHMAN, 2000). Em virtude do advento da computação e da eletrônica possibilitou-se a criação de microprocessadores robustos, capazes de manipular grande número de informações para executar rotinas complexas de estabilidade e controle para estas aeronaves. Somados à miniaturização de sensores, tornou-se uma tecnologia viável, saindo do campo exclusivamente militar, devido aos altos custos de projetos muitas vezes somente financiáveis por governos, e, por fim, com os atuais avanços na manufatura, a ponto de ser comercializado até mesmo como brinquedo.

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2.2.

QUADRIRROTOR NA ATUALIDADE

Atualmente, devido à popularização, muitas empresas de aeromodelos fabricam os chamados Multirotores ou Drones para fins recreativos, e são comercializados livremente. Existem várias soluções prontas no mercado, sendo uma das pioneiras o AR Multirotor da Parrot, com 380g, dotado de câmera HD (720pixels 30fps) e controle e acesso à câmera via Wi-Fi, compatível com Tablet’s e Smarphones (PARROT AS, 2014).

FIGURA 2.4 – Ar Multirotor da Parrot Fonte: PARROT SA

Outra empresa de Multirotores é a Draganflyer Innovations Inc, fundada em 1998, fabricante de diversos modelos que levam seu nome, como o Draganflyer X4ES, medindo 64,5 cm, com uma altura de 21 cm e pesa 680 g, possui capacidade de transportar até 250g, controlado por Rádio Controle, na faixa de 2.4 Ghz, link de vídeo, e os sensores: giroscópio, acelerômetros e barômetro, de acordo com ABOUT DRAGANFLYER (2014).

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FIGURA 2.5 – Draganflyer X4-ES Fonte: DRAGAN FLY

E ainda existem os protótipos que surgem dentro das universidades e incubadoras. Por exemplo, no Brasil o Quadrotor dos alunos Pedro Henrique e Marcelo Braga, do curso de Engenharia Mecatrônica. Orientados pelo professor Geovany Borges, ao longo de 2008 na Universidade de Brasília – UnB, o projeto deles, recebeu o terceiro lugar no Prêmio Jovem Inventor na Fundação de Apoio à Pesquisa, Distrito Federal, custando em média R$ 2.000,00. (FITTIPALDI, 200-).

FIGURA 2.6 – Quadrirrotor UNB Fonte: FITTIPALDI

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Existem muitos outros trabalhos, tanto na história, quanto na atualidade, porém sem caráter de pesquisa ou acadêmico. Algumas pessoas adaptam soluções de maneira caseira, tais como câmeras e outros dispositivos dando-lhes aplicações práticas como, por exemplo, aquisição de imagens aéreas. Um bom exemplo foi o uso de um multirotor, por um policial, para combater tráfico de drogas no Rio de Janeiro (ANEXO B).

2.3.

APLICAÇÕES Os Multirotores podem ter aplicabilidade em diversas áreas, com o foco

principal na operacionalidade remota, os quais garantem vantagens como segurança na operação por dispensar ou afastar o operador humano de locais indesejados, por significar risco à vida, por comprometer ou inviabilizar a atividade a ser realizada. Segue, abaixo, uma tabela com mais exemplos classificadas por áreas de atuação: TABELA 2.1 – Aplacações Campos de Aplicação Proteção civil

Áreas Apoio à coordenação e comando no combate a incêndios Operações de busca e salvamento.

Manutenção de estruturas

Inspeção de estruturas Planeamento de obras em fábricas Manutenção de estradas e autoestradas

Fotografia aérea e vídeo

Cobertura jornalística de eventos Cinema e filmes promocionais Fotografia de animais selvagens Fotografia profissional

Segurança

Inspeção de zonas críticas Alterações de ordem pública Documentação de envolvência Vigilância de perímetros

Proteção ambiental

Investigação de acidentes ambientais

Imobiliário

Documentação e promoção de propriedades

Militar

Vigilância militar de tácticas

Aplicação da lei

Investigação de cena de crime e recolha de informação Investigação de acidentes de viação Análise de congestionamento de trânsito Eliminação de engenhos explosivos

Fonte: VIEIRA, 2011.

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3. METODOLOGIAS

Em todas as classificações das ciências, humanas, biológicas e exatas, é fundamental o emprego e desenvolvimento dos métodos científicos adequados, e que, sobretudo, sejam minunciosamente aplicados, seus resultados sejam analisados criticamente, imparcialmente, para que, assim, impulsione a humanidade, cada vez mais, rumo à sustentabilidade, civilização, humanização, desenvolvimento e progresso. Segundo Ganga (2012), a metodologia trata de uma ocasião estratégica de grande importância. Nesta fase, definem-se os métodos científicos utilizados que devem possibilitar, da melhor forma possível, mensurar os problemas e objetivos do trabalho, operacionalizar uma rotina de atividades criteriosas e bem planejadas, prever e reservar todos os recursos necessários (custos, capital, pessoas, tecnologia, etc.). Nesta pesquisa de proposito Exploratório, predominou-se a abordagem Experimental. Os principais procedimentos utilizados para atingir os objetivos foram: Pesquisa bibliográfica e documental: teses, artigos e livros, análise de manuais, folhas de dados e especificações de fabricantes. As revisões da literatura apresentam-se como uma atividade importante para identificar, conhecer e acompanhar o desenvolvimento da pesquisa em determinada área do conhecimento, além de permitir a cobertura de uma gama de fenômenos geralmente mais ampla do que aquela que poderia ser pesquisada diretamente. Além disso, as revisões permitem a identificação de perspectivas para pesquisas futuras, contribuindo com sugestões de ideias para o desenvolvimento de novos projetos de pesquisa. (GANGA, 2012)

Pesquisas experimentais: modelagens e simulações (GIL, 2002), que para Ganga (2012), estão dentro dos métodos de pesquisa mais apropriados para engenharia, uma vez, que, através de procedimentos rigorosos garante e comprova seus resultados de maneira científica. Conforme orientado por Gil (2002) e Ganga (2012), os recursos utilizados, ferramentas e equipamentos foram encontrados no laboratório de Engenharia da Faculdade do Sul da Bahia, recursos computacionais (micro computador, e pacotes

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de softwares). Demais insumos e componentes foram adquiridos em fornecedores nacionais e importados, custeados pelo autor. A seguir, se encontra o fluxograma empregado para a orientação das atividades da pesquisa.

FIGURA 3.1 – Diagrama de atividades.

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4. DESENVOLVIMENTO

Aqui, se faz uma análise de todos os componentes do multirotor, detalhando componentes adquiridos e/ou elaborados com recursos próprios, com os devidos aprofundamentos de relevância, sobre abordagens práticas, técnicas e teóricas, seguindo a sequência de interdependência e/ou conexões dos sistemas: mecânicos, elétricos, eletrônicos, comando e controle.

4.1.

REQUISITOS

Conforme Vieira (2011), um Quadrirrotor necessita possuir estrutura física o mais leve possível e um controle robusto de seus graus de liberdade. Portanto, para atender esse requisito foram testados e pesados três perfis de alumínio, sendo escolhido o quadrado oco com parede de 0,2 mm e 1,0 cm de lado. Construído com um metro deste perfil, sendo cada motor instalado na extremidade de cada haste a 25 cm do centro de inércia, com peso de 80g.

FIGURA 4.1 – Perfil das hastes. Fonte: Autoria própria.

O layout é bem simples. Pois consiste em uma estrutura em forma de cruz, de perfil de alumínio, onde em seu centro se concentra a maior parte de sua massa,

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abrigando a eletrônica e elétrica do projeto, contribuindo para o equilíbrio dinâmico da Aeronave. A fim de aperfeiçoar a montagem e a manutenção, as estruturas são fixadas por meios de chapas planas e parafusos.

FIGURA 4.2 – Layout do Quadrirrotor (elaborado em SolidWorks) Fonte: Própria Autoria.

Vários autores, Vieira (2011), MELO (2010) e SKIBA (2012) evidenciam, o fato de a grande maioria dos projetos experimentais e comerciais de Quadrirrotores, adotarem as placas planas de fibra de carbono, demostrando, assim, ser o material com melhor relação peso e resistência. Porém, devido ao custo que confronta com o objetivo deste trabalho, foram utilizadas, em substituição, placas de Fenolite (tratase de um laminado técnico baseado em papel e resina fenólica), as mesmas utilizadas em confecção de placas de circuito impresso. É valido ressaltar, que este material possui resistência relativamente inferior à fibra de carbono e similar a fibra de vidro, grande capacidade de modelagem, corte e furo. Vale dizer que, ainda contribuir para a leveza da estrutura, uma vez, que na própria placa estrutural foram confeccionadas trilhas para distribuição de energia, contribuindo para redução de componentes extras à aeronave.

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FIGURA 4.3 – Placa de Fenolite função estrutural e elétrica Fonte: Própria Autoria.

Desta forma, a estrutura básica de suporte foi projetada para sustentar todos os componentes elétricos e eletrônicos. Este componente, elaborado com recursos acessíveis, é composta por duas placas de fenolite de 50 mm x 50 mm de 4 mm de espessura, quatro hastes de alumínio perfil oco quadrado de 10 mm x 10 mm com 2 mm de espessura e 250 mm de comprimento. Todos os elementos são fixados por dezesseis parafusos, porcas e arruelas de seis milímetros. Foram acrescentado trens de pouso, ou “pés” formados por tiras de PVC, nas extremidades. O Frame ou esqueleto é apresentado na imagem a seguir.

FIGURA 4.4 – Estrutura Principal - Frame Fonte: Própria Autoria.

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4.2.

COMPONENTES

Neste subcapítulo, se descreve as características e funcionalidades de todos os componentes separadamente, dês de seus elementos estruturais (fonte de energia; atuadores; sensores) a elementos lógicos (controlador; programação; modelagem), seguindo uma ordem em consonância de interdependência dos elementos.

4.2.1. Bateria

A bateria é um dos fatores de escolha definitivo no projeto, devido ser um dos componentes que chegam a ser mais da metade do payload¹ da planta. Tem principal influência na autonomia de voo, devendo sempre atender às especificações do conjunto Motor e ESC. Sendo assim, atualmente, as mais apropriadas são as baterias de Lithium-Polymer (LiPo), devido ao seu alto rendimento para aplicações de aeromodelismo. Também, é outros benefícios, o fato de não possuem efeito memória (redução da sua capacidade de carga, ao longo dos ciclos de recarga). Apresentam entre 600 e 1000 ciclos de recarga, possuem maiores velocidades de carga e recargas e maior densidade de energia explicitada por Souza (2012). São compostas por um conjunto de células com 3,7V individuais, podendo variar (para aplicação em Multirotor) de duas a oito células. Para este projeto, foi adquirida uma Bateria da Turnigy 3000mAh 4S/14,8V de quatro células (4S), totalizando 14,8V, que é o limite máximo suportado pelos conjunto ESC e Motor. Mas se deve ter muito cuidado com este tipo de bateria, ela deve ser recarregada em carregadores eletrônicos específicos, que monitoram a tensão e a carga individualmente de cada célula, respeitando a velocidade da recarga para não danificar a bateria. Outro fator muito importante é o monitoramento da tensão durante o uso (veja no tópico 4.2.2), não devendo atingir limites inferiores a 2,7V, correndo o risco de dano permanente a bateria (HOBBIE BRASIL, 2014).

________________________________________________________ ¹ Carga suportada pela aeronave, incluindo seu próprio peso.

28

FIGURA 4.5 – Bateria Lipo Fonte: www.hobbyking.com

A fim de tornar prática à seleção deste componente, optou-se por uma alternativa exploratória, a utilização de simulações via software, que permite determinar a: eficiência percentual (Eta[%]), potência em Watts (P[W]), duração de carga, e nível de Corrente em Ampere (I[A]) através da. Por meios do Aplicativo: Drive Calculater, de Simulação de eficiência de Baterias Lipo autoria de Persson (2014), obteve uma autonomia de, aproximadamente 28 minutos de voo, que será confirmada mais a diante no capítulo: testes e resultados. A seguir, a imagem da simulação do software:

FIGURA 4.6 – Simulação (eficiência energética)

29

4.2.2. Monitor de Bateria (Buzzer)

Com o objetivo de supervisionar os níveis de carga das células da bateria e instalar um dispositivo, o Buzzer, FIGURA 4.7 que monitora continuamente e emite sinais luminosos e sonoros quando uma ou mais células atingir o nível crítico que segundo Hobbie Brasil (2014) é de 2,7 V. Desse modo evitam-se quedas da aeronave por falta de energia. O funcionamento deste componente se baseia nos princípios fundamentais de divisores de corrente e tensão elétricas.

FIGURA 4.7 – Buzzer, alarme sonoro. Fonte: goodluckbuy

4.2.3. ESC

Eletroc Speed Control ou ESC é um componente ou subsistema eletrônico do multirotor, responsável por controle de potência, sendo o intermediário entre a bateria e o motor. Com base em um sinal de PWM, fornecido pelo Rádio Controle ou microcontrolador, ele aumenta ou diminui a intensidade da corrente em domínio da frequência nas três fazes (A, B, C), sobre uma função aproximadamente senoidal em defasagem de 120º dos enrolamentos dos motores, conforme a imagem a seguir.

30

Fig. 4.8 – Formas de onda geradas pelo ESC. Fonte: MELO. 2010. Pg 32.

4.2.4. Motor brusless

A principal característica desses motores é a ausência do componente mecânico: escovas, que nos motores convencionais de corrente contínua são responsáveis pela comutação da corrente elétrica e, consequentemente, inversão dos polos norte e sul. Nos motores Brushless (sem escova), os polos são distribuídos e acionados em defasagem de 120 graus, e a corrente é induzida por efeito eletromagnético. Em decorrência se tem maior vida útil do motor pelo fato de, praticamente, não existir atrito. Porém, é necessário o controle de velocidade por recursos eletrônicos, em sua grande maioria retro alimentada por efeito de campo ou sensores magnéticos, como relatado por Souza (2012).

31

A seguir, a imagem um motor com enrolamento em “Delta” e em relação de polos magnéticos de seis móveis para quatro fixos, ou seja, com duas bobinas por fase (seis bobinas) e quatro imas permanentes, e incluindo os gráficos do sensor “Hall Sensor Signal” e a tensão do ESC (Eletric Speed Control) “Phase Voltages”.

FIGURA 4.9 – Esquema do Motor Brushless Fonte: youtube

Os motores utilizados foram do fabricante Turnigy, modelo D2830 1000KV. E a denominação D28 indica o diâmetro do estator em milímetros, ou seja, 28 mm de diâmetro, seguido da dezena 30 que indica a altura do estator, que é de 30 milímetros. O numeral 1000KV indica sua constante de rotação, sendo de um mil rotações por unidade de volt. Ou seja, atinge-se a rotação máxima, com uma bateria de 14,8 V, de aproximadamente 14.800 rpm (HOBBYKING, 2014).

32

4.2.5. Propulsores

Com o intuito de encontrar o empuxo fornecido pelo propulsor (Hélice), em função da rotação do motor (em RPM), temos a fórmula fornecida por fabricantes de Hélices: (1)

Onde: E(g) = Empuxo em gramas; A = Diâmetro da hélice em polegadas; B = Passo da Hélice em polegadas; C = Rotações por minuto (RPM) aferido; K = Constante da Hélice (26). Esta fórmula aplicada de modo prático por fabricantes de aeromodelos (COLAREJO, 1964). Sua origem matemática é apresentada de maneira técnica por Braga; Romagnoli e Martins (2010) em (2): 1.0

3

100000  c   r   r  AF =     d   (2) 16 0.∫15  D   R   R  A seguir podemos observar na figura 3.10 de onde as variáveis são extraídas. Esta fórmula (2) é valida para uma única pá. Com a fórmula (3) a seguir obtemos o Fator de Atividade Total (TAF) multiplicando o Fator de Atividade (AF) pelo numero de pás (B), acrescido de fatores obtidos pelo auxílio de tabelas específicas: TAF = B x AF (3)

FIGURA 4.10 – Modelo Hélice

33

Visto que não é relevante o estudo analítico aprofundado dos modelos de desenvolvimento de hélices, passou-se para uma alternativa menos morosa de se calcular o propulsor, mediante os recursos de software. Usando PropCalc 3.0, de autoria por Schenk (2014), foi simulado o melhor propulsor, que garantisse maior eficiência com rotação aproximadamente 11.100 rpm, ou seja 75% da rotação máxima fornecida pelo motor (14.800 rpm). É possível observar o resultado, da simulação via software, na imagem a seguir onde é dado Torque em Newtons ([N]), Potência em Watts ([W]) e Eficiência (Eta), todas as variáveis em função da velocidade.

FIGURA 4.11 – Torque, Potência e Eficiência do propulsor. Fonte: PropCalc

O propulsor utilizado, por aproximação comercial, foi um de três pás, que permite diâmetros menores de hélices, conforme explicado em IAC-DIP (2014), com nove polegadas (9”) de diâmetro e quatro polegadas e meia de (4,5”) de passo, do obtido através do software, que proporciona empuxo máximo de 15 N ou aproximadamente 1,5 Kg.

34

4.2.6. Rádio controle

O rádio, para este projeto, é fundamental, pois este possibilita a comunicação entre o operador e a Aeronave ou Planta. Foi adquirido um modelo popular, muito utilizado por aeromodelista, devido ao seu baixo custo e relativa confiabilidade (figura 3.12).

FIGURA 4.12 – Rádio Controle (emissor e receptor) Fonte: hobbyking

Opera-se com uma onda portadora na faixa de 2.4 Ghz de modulação FM, com potência de 19db, sendo que o receptor possui 76db de sensibilidade, a um consumo de 250mA. E alcance de pouco mais que um quilômetro. Este equipamento possui seis canais, que, a principio quatro são utilizados, para os comando: Aceleração (Throttle), Arfagem (Pitch), Rolagem (Roll) e Guinada (Yawl). Sendo assim dois canais ficam disponíveis para futuras atualizações. Observando seu sinal, o envio dos seis canais é multiplexado pelo transmissor em uma única onda, com período de 20ms e são demultiplexados no receptor, em seis canais de 2ms cada, podendo ser coletados de maneira paralela pelo microcontrolador do Quadrirrotor. Foram checados os sinais do receptor individualmente, com o auxílio de um Osciloscópio, conforme a figura 3.13.

35

FIGURA 4.13 – Sinal do rádio no Osciloscópio Fonte: Própria Autoria.

A captura dos sinais, oriundos do radio receptor, é feita de maneira paralela pela placa microcontroladora. Sendo que as portas, do microcontrolador, destinadas para tal, foram às portas digitais número 6, 7, 8 e 9. Sendo que, o processo de captura usa a função nativa da IDE Arduino chamada pulseIn() capaz de coletar dados em intervalos muito curtos de tempo. Na imagem, a seguir, podemos ver as faixas e os canais típicos de um rádio transmissor de seis canais, com o carrilhão PPM completo, e em separado pelo receptor em PWM.

FIGURA 4.14 – Canais do Rádio transmissor Fonte: Diebotreise

36

4.2.7. Acelerômetro

Os acelerômetros são dispositivos MESN (Micro Electro-Mechanical Systems – Sistemas Micro Eletro Mecânicos), capazes de medir a intensidade do vetor da gravidade decomposta sobre três eixos de referência internos. Valem ressaltar que existe uma grande variedade de acelerômetros, classificados no seu princípio de funcionamento e de transmissão de dados, utilizando do princípio fundamental da física (4) para mensurar as decomposições.

=

×

(4)

A figura 4.15 a seguir exemplifica a analogia do funcionamento de um acelerômetro, em “A” temos a ausência de forças atuando sobre o mesmo, em “B” temos a resposta do sensor à atuação de uma força, como gravidade ou inércia. Esta resposta é mensurada, através da física elementar (4), em seguida convertida em grandezas elétricas, resistência ou amperagens, de pequenas escalas que são amplificadas antes de ser enviada a placa de controle.

FIGURA 4.15 – Funcionamento de acelerômetro Fonte: VIEIRA, pg. 31.

O acelerômetro adotado, neste projeto, foi o contido no circuito SMD MPU6050, dotado de três eixos e saído digital de 16 bits, podendo ser configurado para operar nas faixas de sensibilidade de ± 2g, ± 4g, ± 8g ou ± 16g, informações obtidas de sua folha de dados em INVENSENSE INC (2012). Comercializado em placa comercial ITG-MPU, de medidas 20 mm x 16 mm x 1 mm, que permite a prática interconexão com a placa controladora, além de possuir um próprio regulador de tensão, que garante proteção extra contra queima, em casos de falhas elétricas.

37

(1)

(2)

FIGURA 4.16 - Sensor MPU6050 (2) e sua placa SMD (1) Fonte: InvenSense Inc

4.2.8. Giroscópio

Giroscópios são sensores capazes de medir a velocidade angular, através do fenômeno piezo elétrico. De maneira similar ao explicado anteriormente, temos a figura 4.16, onde em “A” temo o modelo de um giroscópio em repouso, e em “B” uma força que por meio do “(...) efeito de Coriolis, que provoca uma vibração secundária ortogonal à direção original da vibração, que imprime na massa um movimento de rotação secundário em direção ortogonal à da rotação inicial.” (VIEIRA, 2011, p. 32)

FIGURA 4.17 – Funcionamento do Giroscópio Fonte: VIEIRA, pg. 32.

O giroscópio, adotado para este projeto está embutido no CI: MPU6050. Possui três giroscópios analógicos, suas saídas são ligadas à três conversores analógicos para digital cada um com escala configurável entre 250 graus por segundo a máxima de até duzentos graus por segundo, dividida em uma resolução

38

de 16 bits, ou seja, 2^16 = 65.536, -32.768 a +32.768 de acordo com a folha de dados da INVENSENSE INC (2012).

4.2.9. Microcontrolador

O microcontrolador, adotado neste trabalho, foi o ATmega328 da Atmel, nativo da plataforma de hardware Livre Arduino. A justificativa da escolha foi devido ao crescente uso e difusão, principalmente no meio acadêmico destes componentes, propiciando vasto material de referência e consulta. Na TABELA 4.1 podemos ver as características técnicas do ATmega328, na folha de dados de ATMEL CORP (200-). TABELA 4.1 – Características do micro controlado Atmega328. Microcontrolador Atmega328. Tensão de funcionamento 5V Tensão de entrada (recomendado) 7 - 12 V Tensão de entrada (limites) 6 – 20 V Digital I / O Pins 14 (dos quais 6 oferecem saída PWM) Pinos de entrada analógica 6 Corrente DC por I / O Pin 40 mA De corrente DC para 3.3V Pin 50 mA Memória Flash 32 KB (ATmega328), 0,5 KB utilizados na inicialização SRAM 2 KB (ATmega328) EEPROM 1 KB (ATmega328) Velocidade do relógio 16 MHz Fonte: ATMEL CORP

Para fins de aprendizado e para redução de custos, foi criada a placa controladora, baseada na plataforma livre de hardware Arduino, dotada da família de microcontroladores da Atmel. A princípio foi utilizado meio de fabricação por termo plotagem, que consiste em transferir a imagem do circuito por meio de papel fotográfico aquecido sobre pressão, com a placa virgem de cilicio, e, posteriormente, utilizando uma solução corrosiva de Água (H2O) e Cloreto de ferro (FeCl3). Devido à baixa precisão deste processo, foi adotado outro método, denominado foto revelação, que, através de um fotolito, expõe a radiação UV, natural ou artificial, uma placa virgem previamente tratada com um verniz foto sensível.

39

O processo de diagramação da placa foi auxiliado por software livre Fritzing. Detalhes rever anexos.

FIGURA 4.18 – Placa confeccionada por foto revelação

4.3.

MODELAGEM DO SISTEMA

A fim de definir os requisitos das operações lógicas sobre um aspecto analítico-matemático dos fenômenos essenciais e atuantes nos elementos da planta, utilizaram-se ferramentas, algébricas, trigonométricas e exploração, através do emprego de software de simulação e programação.

4.3.1. Lógica De Voo.

A dinâmica de voo do Quadrirrotor é toda baseada no controle inteligente e independente dos quatro rotores, que são estrategicamente montados com a finalidade de primeiro anular o momento da estrutura, impedindo que o Multirotor gire em seu eixo “z” desorientadamente. Esse efeito é alcançado, instalando em lados opostos do frame propulsores que giram em mesmo sentido. Usufruindo deste fenômeno, pode ser controlado para realizar a manobra de Guinada (Yaw), que consiste no giro, no sentido do eixo “z”, controlado a velocidade de maneira direta dos pares de propulsores opostos.

40

A figura 4.19, apresenta a disposição dos motores, na estrutura do quadrirrotor, seus sentidos de rotação e ilustram os eixos de orientação, que definem as manobras possíveis, a imagem complementa os dados da tabela 4.2.

FIGURA 4.19 – Modelo Quadrirrotor Fonte: Autoria própria

Para realizar as manobras de Rolagem (Roll), e de Arfagem (Ptich), ou deslocamentos no plano horizontal sobre os eixos “x” e “y” do plano cartesiano. Para tais manobras, provoca-se uma inclinação na aeronave por meio de acelerações controladas, de maneira inversa, dos motores em sentidos opostos. Para análise, segue uma tabela simplificada das ações para todas as manobras e as consequentes variações de velocidades dos motores: TABELA 4.2 – Variação de velocidade de motores em manobras. MANOBRA MOTOR 1 MOTOR 2 MOTOR 3 MOTOR 4 Subida (Throttle +)

+

+

+

+

Decida (Throttle -)

-

-

-

-

Frente (Pitch +)

-

=

+

=

Trás (Pitch -)

+

=

-

=

Direita (Roll +)

=

-

=

+

Esquerda (Roll -)

=

+

=

-

Horário (Yaw +)

+

-

+

-

Anti-horário (Yaw -)

-

+

-

+

41

4.3.2. Acelerômetro

A geometria aplicada para o controle dos ângulos de inclinação, para manobras de rolagem e arfagem, pode ser observada na imagem a seguir. Esse valor é posteriormente armazenado na variável RxAcc, para efeito de cálculo.

FIGURA 4.20 - Decomposição geométrica do vetor gravidade

Foi elaborado um código de função no Matlab, para extrair os dados dos acelerômetros, através de comunicação serial. Para isso, utilizou-se um adaptador USB / SERIAL, para emular o protocolo RS232, de hardware, foi necessário construí-lo, por meio de um Circuito Integrado PL2303, fabricado pela Prolific (PL2303 USB to RS-323), com o Circuito Atmega328, para traçar estratégias e métodos de modelagem do algoritmo de controle. Analisando a imagem 4.21, abaixo, podemos observar um distúrbio muito oscilante na variável medida: vetor gravidade, o que é muito prejudicial para qualquer técnica de controle por retro alimentação. A partir daí, observou a necessidade de implantação de um filtro matemático, e a combinação das leituras do giroscópio, ou seja, a fusão sensorial, apresentada no tópico 4.3.4, para contornar as discrepâncias. A imagem, a seguir, mostra um trecho, de um registro de amostragem de mil leituras, das projeções dos três eixos: “x” em vermelho ( _ ), “y” em azul ( -.- ), “z” em rosa ( --- ), usando a sensibilidade padrão de 2 g, ou seja, escala máxima de duas vezes a aceleração da gravidade, ao longo do tempo.

42

FIGURA 4.21 – Gráfico do Malab. (leitura dos sensores)

4.3.3. Giroscópio

O giroscópio mede a velocidade angular, que pode ser expressa em função do tempo, através das seguintes expressões, a demonstração é apresentada para o eixo “x” ou eixo de rolagem:

(6) (7)

(8) Analogamente, desenvolve-se as expressões para o eixo “y” ou eixo de guinada.

4.3.4. Fusão Sensorial

Devido à incapacidade de detecção do ângulo Yaw (rotação do eixo z), através somente do acelerometro, somando conforme MELO (2010), Vieira (2011) e SOARE (2011), o fato de uma tendência ao erro em estados de tempos curtos para

43

o sensor Acelerômetro, e de uma tendencia ao erro em estados de tempo grande para o sensor Giroscopico. Uma estratégia para contornar essas deficiências é a aplicação dá técnica de fusão sensorial (9) entre ambos, atendida pela expressão a seguir apresentada por Soares (2011), onde RxAcc dado do acelerômetro; RxGyro dado do giroscópio; e wGyro é fator de confiabilidade entre acelerômetro e giroscópio definido experimentalmente:

(9) Para ilustara com mais detalhes, o tratamento matemático da fusão sensorial, tem-se o esquema, a seguir, que traz o detalhe de um filtros matemático simples (FPB), para atenuar possíveis disturbios na leitura. Após a conversão temo o ângulo estimado (ϴEst).

Fig. 4.22 – Fusão sensorial Fonte: Soares (2011) adaptado

4.3.5. Controle PID

Existem muitos métodos e técnicas de controle. Uma vez que para a aplicação em quadrirrotores, são requeridas técnicas em controle de malha fechada, sendo o tipo PID (Proporcional Integral e Derivativo), a consolidada tanto no meio acadêmico quando no industrial, devido a sua fácil aplicação em microcontrolador.

44

Seu principio é puramente matemático atendendo à seguinte função onde Kp, Ki e Kd são fatores, respectivamente, de ganhos proporcional, integral e derivativo, que são definidos de acordo com as condições de trabalho específicas de cada aplicação e planta, determinados pelo processo de sintonia. A lei de controle PID combina funções matemáticas de ação Proporcional, Integral e Derivativa. A ação integral faz a saída acompanhar em regime permanente o sinal de referência e rejeitam perturbações. A ação derivativa contribui para melhorar o tempo de resposta. E a ação proporcional afeta o erro em regime para entradas elevadas, conforme a seguinte função de transferência, encontrada em NISE (2013).

(10)

4.3.6. Sintonia

O processo de sintonia é responsável por determinar os coeficientes kp, ki e kd. Existem na literatura várias técnicas, a exemplo de: Ziegler e Nichols, Relê, Cohen-Coon, Integral da função do erro e outros. Sendo que devido à praticidade, o método adotado será, o de Ziegler e Nichols, que se baseia em elevar o ganho proporcional até o limite critico (tau) de instabilidade, em período constante (theta), e com esses valores determinar os demais por meio de uma tabela (tabela 4.3). Este método é descrito por NISE (2013).

Tabla 4.3 – Fatores de sintonia de Ziegler e Nichols.

45

Uma vez que este meio requer que o processo esteja em operação é necessário, meios adicionais de monitoramento e dispositivos, para garantir a segurança do procedimento, para a realização da operação.

4.4.

FIRMWARE¹

Mediante a análise de requisitos de software, e se fundamentando dos conhecimentos obtidos da seção anterior, tem-se: que é preciso que a aplicação seja capaz de coletar os sinais de rádio do transmissor; se comunicar via protocolo I2C com o circuito integrado MPU5060, para coletar os sinais dos sensores; capacidade de processamento para suportar aplicação PID; gerar quatro sinais de PWM para o controle dos ESC. Grande parte dos requisitos foi atendida mediante a utilização de bibliotecas já consolidadas pela comunidade arduino.cc, ou fornecidas por fabricantes de componentes. Ou seja, através do estudo dessas bibliotecas, foi possível reuni-las e adequá-las a operar em conjunto, em um único firmware, para atender às necessidades do projeto. A seguir, pode-se observar o organograma do firmware de controle (figura 4.23), com suas funções, bibliotecas requeridas e variáveis trabalhadas. Para permitir maior controlabilidade ao sistema, modelou-se um bloco no código, com a função limitadora, responsável por reservar 90%, da interferência, para o piloto, e 10% para o controle automático. Este bloco também atua como atenuador ou inibidor do bloco PID, ação necessária para operações de pouso/parada e partida seguras. Esta etapa convergiu, para um código principal, de pouco mais de trezentas linhas de código principal, e uso de seis bibliotecas externas. O arquivo binário de compilação tem o tamanho de: 21294 bytes, (cerca de 66% da memoria programável do controlador), e uso estimado de memoria de: 713 bytes (cerca de 34% da memória disponível do controlador). ____________________________________________________ 1 - Software embarcado em Hardware dimensionado.

46

Fig. 4.23 Organograma do firmware.

47

5.

TESTES E RESULTADOS

Nesta etapa do trabalho, verificam-se os dados adquiridos nos capítulos anteriores. Portanto, pela aplicação de testes práticos, simulando condições reais de operação

de

maneira

segura,

confirmam-se

os

pré-requisitos,

conceitos

bibliográficos, simulações, modelagens, estimativas e demais resultados.

5.1.

AUTONOMIA DE VOO

Foi aferida com o auxílio de um cronômetro e um voltímetro. Realizaram-se testes para aferir a autonomia de voo, com aceleração constante, e medindo se o tempo até que a carga da bateria chega-se ao seu nível inferir crítico cerca 20% de sua carga nominal (ou 2.96 V por celular x 4s = 11.84 V): Tabela 5.1 – Autonomia de bateria: Aceleração Tempo

5.2.

25%

32 minutos

50%

28 minutos

75%

22 minutos

100%

16 minutos

PAYLOAD (CARGA ÚTIL)

A CARGA ÚTIL (PAYLOAD) foi confirmada pelo procedimento experimental, para método de comprovação dos cálculos e simulações realizadas no item 3.2.5 deste trabalho. Foi obtida a força de empuxo, submetendo o conjunto motor e hélice, a teste de operação em bancada, para aferir essa grandeza, com o auxilio de uma balança de precisão, primeiro foi encontrada a força peso do conjunto em repouso e em seguida repetido à medição com o conjunto em funcionamento conforme Figura 5.1.

48

Fig. 5.1 - Teste de empuxo e payload.

Foi selecionado o perfil mais leve possível, para garantir que o Payload (a carga útil, da aeronave) atendesse à carga útil de empuxo do conjunto Motor-Hélice, que mediante teste, foi de 900g de empuxo por unidade de motor. Levando em consideração o desconto do peso do conjunto motor e cubo de hélice

de

74g,

e

que

a

simulação

ser

ideal,

ou

seja,

desconsidera

desbalanceamentos e outras perturbações, e de acordo com IAC-DIP (2014) hélices possuem eficiências entre 60% e 80%, estando em conformidade à confiabilidade de 64,5%, entre o teste e a simulação. A carga total da aeronave foi de 1.950g, estando dentro do total de empuxo criado pelos motores, 3.600g (quatro motores de 900g) garantindo uma carga de trabalho extra 1.650g. De modo que, este baixo peso irá contribuir para a economia de energia durante operação.

5.3.

RESISTÊNCIA

A resistência estrutural dos componentes: elétricos, eletrônicos e mecânicos foram testados durante quinze voos, os testes totalizaram cerca de cinco horas de operação, com Firmware de terceiros a plataforma kkCopter 5.5 (kkCopter, 2012), plataforma comercial de Mult-Rotores fabricada na Coreia. O teste foi bem sucedido sem nenhuma alteração na estrutura, como quebras, distorções de fadiga, folgas ou qualquer falha oriunda da operação.

49

5.4.

SINTONIA

O projeto, nesta fase usou de uma estrutura, para que se realizem os testes, de algoritmos e o procedimento de sintonia com maior segurança (conforme discutido no item 4.3.6), e assim viabilizar-se a aplicação do método de sintonia, essa estrutura é apresentada ilustração 5.2.

FIGURA 5.2 – Base de testes.

O Firmware foi capaz de iniciar os motores de maneira segura, e de acordo com o sinal de referência do controle, estabilizar a planta sobre regime permanente. Para tal foi necessário empregar o método heurístico de sintonia de Ziegler e Nichols, apresentado na seção 4.3.6. Com o auxilio de registros e tabulações foi possível gerar gráficos para uma analise visual, que contribuiu para eficiência da aplicação do método. A seguir, temos os gráficos do sistema antes da sintonia (figura 5.3), e após a sintonia (figura 5.4), descrevendo o comportamento das variáveis, “Setpoint” responsável pelo valor de referencia, “Input” valor da retroalimentação, “Output” sinal após o controlador, e temos ainda os sinais enviados aos motores (motor 1 e motor 2). Na figura 5.3, nota-se como o sinal de saída (Output) acompanha o sinal de “Setpoint”, porém, a variável “Output”, trabalha sobre grande oscilação e muito distante da variável de retroalimentação (Input), percebe-se a instabilidade na oscilação dos motores. Caracterizando assim um sistema instável ou não

50

controlado, neste caso não sintonizado adequadamente. Os picos na variável “Setpoint” foram inseridos para analisar a resposta do sistema.

FIGURA 5.3 – Sistema dessintonizado.

Na figura 5.4, trata-se do mesmo sistema, no entando após aplicado o método de sintonia, agora tem-se saídas mais estaveis nos motores, o sinal controlado (Output) opera muito próximo do sinal de retroalimentação (Input), também pode-se observar a aceleração mais segura, e gradual dos motores, os picos da variável “Input” são oriundos de interferências, provocadas propositamente, pela aplicação de forças externas, que simulam rajadas de vento do meio ambiente.

FIGURA 5.4 – Sistema sintonizado.

51

CONSIDERAÇÕES FINAIS

A proposta, de criar um protótipo foi atingida, no apêndice E, encontra-se hiperlink em código QR¹, para os vídeos dos voos, testes e experimentos realizados, ao longo, deste estudo. O protótipo possui 550 mm de envergadura, 805g de peso, materiais metálicos predominante Alumínio (Al), parafusos de Ferro (Fe), Fios e trilhas de Cobre (Cu); materiais não metálicos, placas de Acrílico (polímero plástico), PVC (polímero plástico). No tocante aos estudos aprofundados, no decorrer deste projeto, foi empregado os conhecimentos de elétrica, eletrônica, micro sensores, programação, modelagem, em destaque teoria de controle. Estes conhecimentos, adquiridos em sala de aula, foram essenciais, e, muitos deles foram melhorados, e, outros além, foram adquiridos. O custo geral do projeto, incluindo materiais, serviços, fretes, impostos e outros gastos, já convertido para moeda nacional foi de R$ 1.844,51 (mil, oitocentos e quarenta e quatro reais e cinquenta e um centavo), sem a contabilização da mão de obra técnica, e não considerando preços de atacado, o que favoreceria ainda mais os custos. No apêndice A, encontra-se maiores detalhes sobre os custos. O tempo da pesquisa foi de, aproximadamente, dois anos, sendo que, atualmente o tempo de montagem de uma unidade é de em média cinco horas. O custo médio, incluindo impostos e frete, de outros modelos comerciais, é apresentado na tabela 6.2 abaixo: Tabela 6.1 – Cotação de preços

Modelo/Fabricante

Valor em R$

Drone Dji Phantom 2

5.449,00

Parrot Ar Drone2.0

1.899,00

Drone Cinemax

8.690,00

Fonte: (mercado livre, 2014).

____________________________________________________ 1 - Código QR (sigla do inglês Quick Response) é um código de barras bidimensional que pode ser facilmente esquadrinhado usando a maioria dos telefones celulares equipados com câmera.

52

Sendo a aceitação do produto e a sua procura muito grande e crescente, assim conclui que no modelo de fabricação e montagem atual, o plano de negócio de fabricação, montagem e venda deste projeto é um empreendimento, muito promissor. Incluindo que o valor do custo se enquadra dentro do preço médio (R$ 5.346,00) dos produtos, de envergadura e características similares. Podendo assim ser praticado preço nesta faixa, o que garante retornos financeiros superiores a 100% do investimento. Acrescenta-se

a

existência

de

parecer

ainda

mais

favorável

ao

empreendimento, baseado neste estudo, uma vez que a atual proposta foi selecionada como um dos cinquenta semifinalistas do Concurso Nacional de Startups, realizado por meio de parceria entre Confederação Nacional dos Jovens Empresários (Conaje), Anjos do Brasil, ABStartups e Brazil Innovators (CONCURSO NACIONAL DE STARTUPS, 2014). Diante do fato de haver riscos de acidentes, e que o dispositivo pode vir dividir o espaço aéreo com outras aeronaves (aviões e helicópteros), os órgãos competentes criam normas para regulamentação (ANEXO B). Foram verificados os procedimentos necessários para entrar em conformidade com a legislação nacional junto à Agencia Nacional de Aviação Civil – ANAC. Nas atualizações do projeto, prevê-se a criação e instalação de Gimbal Câmera, componente capaz de dar estabilidade automática sobre três graus de liberdade do dispositivo e permitir que o operador direcione a câmera manualmente. Para a atualização do firmware elaboração de funções de GPS, para voo automático e função de segurança “volte para casa”, que permite que o dispositivo assuma o controle em casos de falhas de comunicação e/ou nível crítico de bateria. Além da instalação de outros sensores, como altímetros ou barômetros, bussolas ou magnetômetros, sensores de ultrassom e/ou infravermelho, para detecção de obstáculos em voo e/ou em operação de pouso. Segue imagem (Figura 6.1), o protótipo montado, na atual fase de desenvolvimento: operação sobre plataforma fixa, com um grau de liberdade, usada nos ensaios e simulações.

53

FIGURA 6.1 – Montagem Final.

54

REFERÊNCIAS

ABOUT

DRAGAN

FLY

X4.

Disponível

em:

. Acessado em 30/05/2014. ATMEL

CORP,

Data

Sheet

Atmega

328.

Disponível

em:

. Acessado em 28/05/2014. BRAGA, Igor Pires de Melo; ROMAGNOLI, Fernando; MARTINS, Cristiane Aparecida. PROJETO DE HÉLICE ÓTIMA PARA VANT ITA-CHESF. Anais do XVI Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA – XVI ENCITA / 2010. Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil, 20 de outubro de 2010. COLAREJO,

José

Manuel

Padinha;

RODRIGUES,

José

Carlos.

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NACIONAL

DE

STARTUPS.

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55

GIL, Antonio Carlos. Como Elaborar Projetos de Pesquisa. Ed. 4. São Paulo, Editora Atlas, 2002. 175 p. GOODLUCKBUY,

Low

Voltage

Monitor

Alarm

Buzzer.

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BRASIL,

Cuidados

com

Baterias

LIPO,

Disponível

em:

<

http://www.hobbiebrasil.com.br/baterias>. Acessado em: 09/04/2014. HOBBYKING,

D2830-11

1000kv

Brushless

Motor.

Disponível

em:

. Acessado em 11/10/2014. HOBBYKING.

Turnigy

3000mAh

4S

20C

Lipo

Pack.

Disponível

em:

Acessado em 10/02/2014. INSTITUTO DE AVIAÇÃO CIVIL - DIVISÃO DE INSTRUÇÃO PROFISSIONAL (IACDIP).

MECÂNICO

DE

MANUTENÇÃO

AERONÁUTICA:

GRUPO

MOTOPROPULSOR. Rio de Janeiro, 2002, Capítulo 7. Disponível em: < http://portal.pilotobrasil.com.br/conteudo/portal/sala-deaula/mma/grupo_motopropulsor/07Helices.pdf>. Acessado em 12/10/2014. INVENSENSE INC. MPU-6000 and MPU-6050 Product Specification. Revision 3.1 Document Number: RM-MPU-6000A-00. 03/09/2012. KKCOPTER,

Firmware

V2.5.

2012.

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56

MATLAB, Referências do programa. Versão 2012 MathWorks inc. 1984 Massachusetts, U.S.A. MELO, Alexandre Secchin de. Implementação de um Quadrotor como Plataforma de Desenvolvimento para Algoritmos de Controle. 113 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal Do Espírito Santo, Vitoria, 2010. Mercado

Livre.

LISTA

DRONES.

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SA.

Data

Sheet

Parrot.

Maio

de

2014.

.

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em

Acessado

em

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DIEBOTREISE,

acessado

em

11/09/2014,

disponível

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Para

Monitoramento

De

Regiões

Desmatadas

Através

Do

Georreferenciamento De Imagens. 69 f., Monografia apresentada, para a obtenção do título de Bacharel em Ciência da Computação - UNIVERSIDADE ESTADUAL DE SANTA CRUZ, Ilhéus, 2012. UOL NOTICIAS. PM do Rio utiliza drone para reprimir tráfico de drogas em Macaé,

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41

segundos.

(acessado

em

20/10/2013,



disponível

em

58

GLOSSÁRIO

Firmware:

Software embarcado,

ou

instalado,

em

hardware

restritamente

dimensionado para uma determinada aplicação.

I2C:

Em inglês Inter-Integrated Circuit, ou circuito inter integrado, é um barramento

serial multi-mestre desenvolvido pela Philips usado para conectar periféricos.

Multirotor: Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT) de asas fixas dotado de vários propulsores hélices, com diversos graus de liberdade e capacidade de pairar no ar.

SMD: Surface Mount Device, componentes eletrônicos de montados em superfície.

PAYLOAD: o complemento total de equipamentos transportados por uma nave para o desempenho de uma missão.

PWM: Pulse Width Modulation, ou modulação por largura de pulso, modulação de sua razão cíclica para transportar qualquer informação sobre um canal de comunicação.

59

APÊNDICE A - PLANILHA DE CUSTOS (resumida) Descrição

Valor

Componentes Eletrônicos (motores, cabos, sensores e etc.).

R$ 664,75

Componentes Mecânicos (parafusos, plásticos e etc.).

R$ 413,55

Fretes (nacional e internacional)

R$ 393,07

Impostos (Alfândega e outros)

R$ 274,15

Diversos (impressões, CDs, e etc.).

R$ 99,00

Patrocínios (FASB)

-R$ 600,00

TOTAL

R$ 1.244,51

60

APÊNDICE B - DIAGRAMAÇÃO DA PLACA CONTROLADORA Elaborada em software Fritzing.

61

APÊNDICE C – BASE PARA TESTES SEGUROS E SINTONIA DE PID

62

APÊNDICE D – CRONOGRAMA CRONOGRAMA DE ATIVIDADES MÊS/ ANO jan/ 2013

SEMANA 1

SEMANA 2

SEMANA 3

SEMANA 4

Pesquisa bibliográfica – Principios

Pesquisa bibliográfica – Principios

Pesquisa bibliográfica - Principios

Pesquisa bibliográfica - Principios

fev/ 2013

Pesquisa bibliográfica – Principios

Pesquisa bibliográfica – Principios

Pesquisa bibliográfica - Principios

Pesquisa bibliográfica - Principios

mar/ 2013

Pesquisa bibliográfica - Material de referência (Teses, Livros, Artigos e outros) Pesquisa bibliográfica - Motores Brushless

Pesquisa bibliográfica - Material de referência (Teses, Livros, Artigos e outros) Pesquisa bibliográfica - Motores Brushless

Compra/Importação componentes (ESC, MOTORES, HÉLICES)

abr/ 2013

Pesquisa bibliográfica - Material de referência (Teses, Livros, Artigos e outros) Pesquisa bibliográfica - Motores Brushless

mai/ 2013

Pesquisa bibliográfica - Datasheets ESC

Pesquisa bibliográfica - Datasheets ESC

Pesquisa bibliográfica - Datasheets ESC

jun/ 2013

Programação - Rotina de controle de motor Brushless com ESC e Arduino Pesquisa bibliográfica - Programação em Arduino

Programação - Rotina de controle de motor Brushless com ESC e Arduino Pesquisa bibliográfica - Programação em Arduino

Pesquisa bibliográfica - Hélices

Programação - Rotina de controle de motor Brushless com ESC e Arduino Pesquisa bibliográfica - Hélices

Pesquisa bibliográfica - Programação em Arduino

Pesquisa bibliográfica - Programação em Arduino

ago/ 2013

Pesquisa bibliográfica - Hardware Arduino.

Pesquisa bibliográfica - Hardware Arduino.

Pesquisa bibliográfica - Hardware Arduino.

Pesquisa bibliográfica - Hardware Arduino.

set/ 2013

Compra/Importação Atmega328

-

-

Entrega - Atmega 328

out/ 2013

Compra/Importação Hardware Arduino (componentes eletrônicos) Compra/Importação Hardware Arduino (pesquisa adaptador Serial-USB) Montagem Eletrônica Hardware Arduino (Placa controladora Atmega328 - TESTES)

Compra/Importação Hardware Arduino (componentes eletrônicos) Compra/Importação Hardware Arduino (pesquisa adaptador Serial-USB) Montagem Eletrônica Hardware Arduino (Placa controladora Atmega328 TESTES)

Pesquisa bibliográfica - Hardware Arduino

Pesquisa bibliográfica - Hardware Arduino

Montagem Eletrônica Hardware Arduino (Placa controladora Atmega328) Montagem Eletrônica Hardware Arduino (Placa controladora Atmega328 - TESTES)

Montagem Eletrônica Hardware Arduino (Placa controladora Atmega328) -

jul/ 2013

nov/ 2013

dez/ 2013

Compra/Importação ENTREGA ( ESC, Motores, Helices)

63

jan/ 2014

-

-

Pesquisa bibliográfica - (uso do MATLAB)

Pesquisa bibliográfica - (uso do MATLAB)

fev/ 2014

Compra/Importação Sensores

Montagem Mecânica Pesquisa de perfil de aluminium

Pesquisa bibliográfica datasheet sensores

Pesquisa bibliográfica datasheet sensores

mar/ 2014

Pesquisa bibliográfica - Sensor (Protocolo I2C)

Pesquisa bibliográfica - Sensor (Protocolo I2C)

Pesquisa bibliográfica - (uso do MATLAB)

Compra/Importação Sensores (ENTREGA)

abr/ 2014

Pesquisa bibliográfica - Prgramação (Arduino no MATLAB)

Pesquisa bibliográfica - Prgramação (Arduino no MATLAB)

Montagem Mecânica Pesquisa de perfil de aluminium

Programação - Sensor rotina de leitura (IDE ARDUINO)

mai/ 2014

Pesquisa bibliográfica - Software Arduino (Rotina de leitura sensores I2C) Pesquisa bibliográfica - Software Controle PID (IDE ARDUINO)

Programação Software de Leitura dos sensores (IDE ARDUINO) APRESENTAÇÃO SEMANA DE ENGENHARIA DA FASB

Montagem Mecânica Pesquisa de perfil (DEFINIDO)

Testes: Voo e Autonomia (Protótipo hibrido - software terceiro) QuadriCoptero

Montagem Mecânica Desenho CAD, montagem do frame (esqueleto) Programação Elaboração rotina de captura e registro gráfico de sinais dos sensores (MATLAB) Testes: Voo e Autonomia (Protótipo hibrido - software terceiro) - TriCopero [QUEDA ACIDENTAL]

jun/ 2014

jul/ 2014

set/ 2014

Programação Captura dos Sinais do Rádio

Testes: Voo e Autonomia (Protótipo hibrido - software terceiro) QuadCoptero [QUEDA ACIDENTAL] Compra/Importação Hardware Motres e ESCs (Reposição devido à queda acidental) Programação Captura dos Sinais do Rádio

out/ 2014

nov/ 2014

Programação - Fusão sensorial (leitura precisa dos sensores angulação exata da aeronave) TESTES FINAIS E CONCLUSÃO

Programação - Fusão sensorial (leitura precisa dos sensores angulação exata da aeronave) TESTES FINAIS E CONCLUSÃO

dez/ 2014

ENTREGA DO TRABALHO ESCRITO

DIVULGAÇÃO DE APROVAÇÃO

ago/ 2014

Programação Elaboração rotina de captura e registro gráfico de sinais dos sensores (MATLAB) Testes: Voo e Autonomia (Protótipo hibrido - software terceiro) - TriCopero Artigo Submissão SIGE (simpósio de aplicações operacionais em áreas de defesa - ITA) Programação - Fusão sensorial (leitura precisa dos sensores angulação exata da aeronave) Programação - Fusão sensorial (leitura precisa dos sensores angulação exata da aeronave) REVISÃO ORTOGRÁFICA

APRESENTAÇÃO PARA BANCA EXAMINADORA

Programação - Fusão sensorial (leitura precisa dos sensores ângulação exatos da aeronave) Programação Controle PID (IDE ARDUINO)

REVISÃO ORTOGRÁFICA

64

APÊNDICE E – LINKS

VÍDEOS DO SITE YOUTUBE 1

VÍDEOS DO SITE YOUTUBE 2

65

ANEXO A – UOL NOTICIAS

66

ANEXO B - CIRCULAR DE INFORMAÇÕES AERONÁUTICAS