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Jos Carlos Silva Vieira
Plataforma Mvel Area QuadRotor
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outubro de 2011UMin
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201
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uadR
otor
Universidade do MinhoEscola de Engenharia
outubro de 2011
Dissertao de MestradoCiclo de Estudos Integrados Conducentes aoGrau de Mestre em Engenharia Eletrnica Industrial e Computadores
Trabalho efetuado sob a orientao doProfessor Doutor Agostinho Gil Lopes
Jos Carlos Silva Vieira
Plataforma Mvel Area QuadRotor
Universidade do MinhoEscola de Engenharia
Plataforma Mvel Area QuadRotor
i
Resumo
As Plataformas Areas Mveis tm vindo a evoluir progressivamente mostrando-se
ferramentas importantes nas mais diversas aplicaes. Estes veculos podem ser
utilizados em vigilncia, no combate a banditismo, na preveno de fogos florestais, na
observao de fenmenos meteorolgicos e em especial em ambientes inspitos de
difcil acesso ao homem, protegendo o ser humano e simplificando o seu trabalho.
Esta dissertao consiste no estudo e desenvolvimento de uma plataforma area no
tripulada de aterragem e descolagem vertical, denominada QuadRotor. O principal
objectivo a obteno da estabilidade de forma autnoma, atendendo a um tempo de
voo considerado razovel.
Neste documento sero apresentados e explicados os componentes de hardware
utilizados para a concepo deste veculo. So utilizados motores Brushless DC,
electronic speed controllers, acelermetro, giroscpio e bssola. A unidade central de
processamento utilizado o Arduino Mega.
A dinmica do QuadRotor descrita, assim como os filtros utilizados,
nomeadamente o Attitude and Heading Reference Systems e a utilizao de
Quaternies. So ainda apresentados os mtodos utilizados para a obteno dos ganhos
do controlador PID utilizado pelo sistema, assim como os seus fundamentos tericos.
No final sero descritos os testes realizados e os resultados experimentais que
contriburam para o funcionamento da plataforma, seguindo-se das concluses mais
pertinentes.
Palavras-chave
QuadRotor, UAV, PID, Brushless, Electronic speed controller, Arduino, fuso
sensorial
Plataforma Mvel Area QuadRotor
ii
Plataforma Mvel Area QuadRotor
iii
Abstract
Mobile Aerial Platforms have been evolving gradually showing up as important
tools in several applications. These vehicles may be used in surveillance, to combat
banditry, in the forest fires prevention, in observing weather phenomena and especially
in inhospitable environments inaccessible to humans, protecting him and simplifying his
work.
This Master thesis consists in study and development of an Unmanned Aerial
Vehicles with vertical takeoff and landing called QuadRotor. The main goal is to
achieve the stability autonomously, attending to a flight time considered reasonable.
In this document will be shown and explained the hardware components used in the
design of this vehicle. The brushless DC motors are used in this work and to control
them electronic speed controllers were used. Accelerometers, gyroscope and a digital
compass are also used to attain stability. The central process unit is the Arduino Mega.
The QuadRotor Dynamics is described as well as the filters implemented,
particularly the Attitude and Heading Reference Systems and the quaternion
representation. The methods used to obtain the gains of the PID controller used by the
system as well the theoretical background are also presented.
At the end the tests performed and the experimental results that contributed to the
operation of the platform are described followed by the conclusions.
Keywords
QuadRotor, UAV, PID, Brushless, Electronic speed controller, Arduino, Sensor fusion
Plataforma Mvel Area QuadRotor
iv
Plataforma Mvel Area QuadRotor
v
Agradecimentos
Agradeo aos meus pais pelos valores, amor, suporte e confiana que sempre me
prestaram, apesar de todos os sacrifcios, contribuindo paro o meu sucesso acadmico e
pessoal. Agradeo tambm minha irm pelos conselhos e exemplo que sempre
representou. Estou de igual forma agradecido minha namorada por todo o apoio,
compreenso e incentivo durante este percurso.
Quero expressar os meus sinceros agradecimentos ao meu orientador Gil Lopes, por
toda a disponibilidade, apoio prestado e incentivo durante esta dissertao.
tambm importante agradecer ao professor Fernando Ribeiro por todo o suporte,
apoio e dedicao, proporcionando um excelente grupo de trabalho.
Por fim agradeo a todos os meus colegas de trabalho pelo companheirismo e
entreajuda prestada em todo este percurso, e aos professores do DEI que contriburam
para a minha formao.
Plataforma Mvel Area QuadRotor
vi
Plataforma Mvel Area QuadRotor
vii
ndice
Resumo .......................................................................................................................... i
Abstract ....................................................................................................................... iii
Agradecimentos ............................................................................................................ v
ndice .......................................................................................................................... vii
ndice de Figuras .......................................................................................................... xi
ndice de Tabelas ....................................................................................................... xiii
Acrnimos .................................................................................................................. xv
1 Introduo.............................................................................................................. 1
1.1 Objectivos e Motivao .................................................................................. 1
1.2 Organizao da dissertao ............................................................................. 2
2 Reviso Bibliogrfica ............................................................................................. 3
2.1 Histria ........................................................................................................... 3
2.2 QuadRotor na Actualidade .............................................................................. 5
2.2.1 Parrot AR Drone ..................................................................................... 5
2.2.2 Dranganflyer Innovations Inc .................................................................. 6
2.2.3 Draganflyer X4 Helicopter ...................................................................... 6
2.2.4 Draganflyer X8 Helicopter ...................................................................... 7
2.2.5 X-4 Flyer Mark II .................................................................................... 8
2.2.6 OS4-Omnidirectional Stationary Flying Outstretched Robot .................... 9
2.2.7 STARMAC ............................................................................................. 10
2.2.8 GRASP LAB construo de estruturas cbicas ...................................... 11
2.2.9 ETH Flying Machine Arena ................................................................... 12
2.3 Aplicaes .................................................................................................... 13
3 QuadRotor ........................................................................................................... 15
3.1 Requisitos ..................................................................................................... 15
3.2 Estrutura ....................................................................................................... 16
3.3 Motores BLDC .............................................................................................. 18
Plataforma Mvel Area QuadRotor
viii
3.4 Electronic Speed controller ........................................................................... 20
3.5 Hlices .......................................................................................................... 23
3.6 Arduino ........................................................................................................ 24
3.6.1 Arduino Shields ..................................................................................... 25
3.6.2 Arduino MEGA ..................................................................................... 26
3.7 Bateria .......................................................................................................... 27
3.7.1 Monitor de bateria.................................................................................. 28
3.8 Sensores........................................................................................................ 28
3.8.1 Acelermetro ......................................................................................... 28
3.8.2 Giroscpio ............................................................................................. 31
3.8.3 Magnetmetros ...................................................................................... 33
3.8.4 Sensores Inerciais utilizados .................................................................. 34
3.8.5 Sonar ..................................................................................................... 36
4 Modelao do Sistema ......................................................................................... 39
4.1 Dinmica do QuadRotor ............................................................................... 39
4.2 Fuso sensorial ............................................................................................. 42
4.2.1 Inclinao usando acelermetro ............................................................. 42
4.2.2 Fuso de Acelermetro e giroscpio ...................................................... 45
4.2.3 Fuso Bssola digital e acelermetro ..................................................... 47
4.2.4 Filtro de Orientao e Atitude ................................................................ 49
4.2.5 Quaternies............................................................................................ 49
4.2.6 Compensao da distoro magntica .................................................... 51
4.2.7 Orientao atravs da acelerao angular ............................................... 51
4.2.8 Orientao por observao vectorial e compensao do giroscpio ........ 52
4.2.9 Diagrama de blocos do filtro .................................................................. 54
4.3 Controlo do Sistema ...................................................................................... 56
4.3.1 Regra de Ziegler-Nichols ....................................................................... 57
4.3.2 Ajuste de parmetros manualmente ........................................................ 58
Plataforma Mvel Area QuadRotor
ix
5 Implementao e Resultados ................................................................................ 61
5.1 Actuao e impulso dos motores e hlices ................................................... 62
5.1.1 Actuao dos motores ............................................................................ 63
5.1.2 Caractersticas dos motores .................................................................... 64
5.2 Placa de Circuito Impresso ............................................................................ 65
5.3 Controlo e estabilidade.................................................................................. 67
5.3.1 Clculo dos parmetros PID pelo mtodo de Ziegler-Nichols ................ 68
5.3.2 Estabilidade 2 Motores .......................................................................... 69
5.4 Fuso sensorial e filtros ................................................................................. 72
5.5 Peso e Autonomia ......................................................................................... 73
6 Discusso de resultados ....................................................................................... 77
7 Concluses e Trabalho Futuro .............................................................................. 79
7.1 Trabalho futuro ............................................................................................. 79
Bibliografia ................................................................................................................. 81
Plataforma Mvel Area QuadRotor
x
Plataforma Mvel Area QuadRotor
xi
ndice de Figuras
Figura 1 - Modelo 3D do primeiro QuadRotor Brguet-Richet Gyroplane No. 1 [5] ................................. 3
Figura 2 - Planos do Oemichen No.2 [4].................................................................................................. 4
Figura 3 - Oemichen No.2 [4] ................................................................................................................. 4
Figura 4 - Flying Octopus [3] .................................................................................................................. 5
Figura 5 - Parrot AR Drone [6] ............................................................................................................... 6
Figura 6 Draganflyer X4 [10] .............................................................................................................. 7
Figura 7 Draganflyer X8 [11] .............................................................................................................. 8
Figura 8 - X-4 Flyer Mark [12] ............................................................................................................... 8
Figura 9 - OS4 [16] ................................................................................................................................ 9
Figura 10 - Estrutura de controlo OS4 [16] .............................................................................................. 9
Figura 11 - Starmac [18] ....................................................................................................................... 10
Figura 12 - Viso Geral do Sistema de hardware Starmac [17] .............................................................. 10
Figura 13 Garra e Partes da estrutura [21]........................................................................................... 11
Figura 14 - Processo de construo [21] ................................................................................................ 11
Figura 15 QuadRotor ETH Flying Machine Arena [24] ...................................................................... 12
Figura 16 - Diagrama de Blocos do Sistema .......................................................................................... 16
Figura 17 Estrutura de teste ................................................................................................................ 17
Figura 18 Estrutura Final ................................................................................................................... 17
Figura 19 (A) Esquema BLDC inrunner (B) Esquema BLDC outrunner [26] ..................................... 18
Figura 20 Comutao das Bobinas [28] .............................................................................................. 19
Figura 21 - Motor BLDC 880KV .......................................................................................................... 20
Figura 22 Diagrama de controlo de um ESC [27] ................................................................................ 21
Figura 23 Combinaes possveis para a mudana de fase [27] ........................................................... 21
Figura 24 - Esquema do princpio de comutao das boninas [26].......................................................... 22
Figura 25 - ESC Series SS 60/70 Hobbyking ......................................................................................... 22
Figura 26 - Hlices 10x4.5 .................................................................................................................. 23
Figura 27 Arduino IDE ...................................................................................................................... 24
Figura 28 IDE do ambiente grfico arduino ........................................................................................ 25
Figura 29 - Arduino Shield.................................................................................................................... 25
Figura 30 - Arduino Mega [36] ............................................................................................................. 27
Figura 31 Bateria Turnigy .................................................................................................................. 27
Figura 32 Monitor de bateria com besouro ......................................................................................... 28
Figura 33 Simulao de um Acelermetro .......................................................................................... 30
Figura 34 - Simulao de Acelermetro sem Forca Gravtica ................................................................. 30
Figura 35 - Simulao de acelermetro com Fora Gravtica ................................................................. 31
Figura 36 - Giroscpio mecnico de Foucault [41] ................................................................................ 32
Figura 37 Simulao de um Giroscpio .............................................................................................. 32
Figura 38 Campo Magntico Aplicado ao Sensor [48] ........................................................................ 33
Figura 39 - Ponte de Wheatstone [48] ................................................................................................... 34
Figura 40 - IMU Digital Combo Board [49] .......................................................................................... 34
Plataforma Mvel Area QuadRotor
xii
Figura 41 - Bssola digital HMC5883L................................................................................................. 36
Figura 42 - Sonar SRF08 [51] ............................................................................................................... 36
Figura 43 Principio de Funcionamento ............................................................................................... 39
Figura 44 Movimentos verticais ......................................................................................................... 40
Figura 45 Movimento Yaw ................................................................................................................ 40
Figura 46 Movimento Pitch................................................................................................................ 41
Figura 47 Movimento Roll ................................................................................................................. 41
Figura 48 Inclinao utilizando acelermetro de 1 eixo....................................................................... 43
Figura 49 Inclinao utilizando acelermetro de 3 eixo....................................................................... 44
Figura 50 Pitch 0 a 360 [55] ............................................................................................................. 44
Figura 51 Projeco dos ngulos da Fuso entre giroscpio e acelermetro [43] ................................. 46
Figura 52 Clculo de Heading [56] ..................................................................................................... 48
Figura 53 Dispositivo Bssola e acelermetro inclinado [56] .............................................................. 48
Figura 54 - Rotao de A para B em relao a [58] .......................................................................... 50
Figura 55 Diagrama de blocos do Filtro AHRS ................................................................................... 54
Figura 56 - Diagrama de blocos em malha fechada ................................................................................ 57
Figura 57 Oscilao linear [61] .......................................................................................................... 58
Figura 58 - QuadRotor desenvolvido ..................................................................................................... 61
Figura 59 Fluxogramas do QuadRotor ............................................................................................... 62
Figura 60 Teste dos motores .............................................................................................................. 62
Figura 61 Corrente Vs Impulso......................................................................................................... 65
Figura 62 Esquema elctrico da placa de controlo............................................................................... 66
Figura 63 Desenho da PCB da placa de controlo................................................................................. 66
Figura 64 Plataforma de testes ........................................................................................................... 67
Figura 65 Teste de estabilidade de 1 e 2 motores ................................................................................ 67
Figura 66 - Oscilao Kc=0.33 e Pcr=1.6 Estrutura de teste ................................................................... 68
Figura 67 - Oscilao Kc=0.25 e Pcr=1.5 Estrutura de Final .................................................................. 68
Figura 68 Estrutura de teste: ngulo/Tempo pelos ganhos de Ziegler-Nichols..................................... 69
Figura 69- Estrutura de teste: PWM/Tempo pelos ganhos de Ziegler-Nichols ........................................ 70
Figura 70 - Estrutura de Final: ngulo/Tempo pelos ganhos de Ziegler-Nichols .................................... 70
Figura 71 - Estrutura de Final: PWM/Tempo pelos ganhos de Ziegler-Nichols ....................................... 70
Figura 72 - Estrutura de teste: ngulo/Tempo ganhos ajustados manualmente ....................................... 71
Figura 73 - Estrutura de teste: PWM/Tempo ganhos ajustados manualmente .......................................... 71
Figura 74 - Estrutura Final: ngulo/Tempo ganhos ajustados manualmente ........................................... 72
Figura 75 - Estrutura Final: PWM/Tempo ganhos ajustados manualmente ............................................. 72
Figura 76 Leitura do Sensor imvel.................................................................................................... 73
Figura 77 Atitude c/s Filtro ................................................................................................................ 73
Figura 78 Simulao com peso de 1338 g ........................................................................................... 74
Figura 79 Simulao com peso de 1838 g ........................................................................................... 75
Figura 80 Grfico do motor obtido pelo simulador ............................................................................. 75
Plataforma Mvel Area QuadRotor
xiii
ndice de Tabelas
Tabela 1 - reas de Aplicao dos QuadRotors, (Adaptado de [9] e [25] ) ............................................. 13
Tabela 2 - Comparao de motores BLDC [31] ..................................................................................... 19
Tabela 3 Caractersticas ESC Series SS 60/70 Hobbyking ................................................................... 22
Tabela 4 Arduino Mega [36] .............................................................................................................. 26
Tabela 5 Especificaes SRF08 ......................................................................................................... 37
Tabela 6 Resumo das rotaes dos motores e seu movimento ............................................................. 42
Tabela 7 - Mtodo de Ziegler-Nichols em malha fechada ...................................................................... 58
Tabela 8 - Comportamento dos parmetros PID .................................................................................... 59
Tabela 9 Impulso do conjunto Motores/Hlices bateria 4S ................................................................ 63
Tabela 10 - Resultados obtidos pelo motor ............................................................................................ 64
Tabela 11 Pesos ................................................................................................................................. 74
Plataforma Mvel Area QuadRotor
xiv
Plataforma Mvel Area QuadRotor
xv
Acrnimos
AHRS (Attitude and Heading Reference Systems)
BLDC (Brushless Direct Current)
BEMF (Back electromotive force)
EMI (Electromagnetic interference)
ESC (Electronic speed controller)
GPS (Global Positioning System)
HTA (Heavier-than-air)
I2C (Inter-Integrated Circuit)
IMU (Inertial Measurement Unit)
LAR (Laboratrio de Automao e Robtica)
LiPO (Lithium-Polymer)
LQ (Linear Quadratic)
MARG (Magnetic, Angular Rate and Gravity)
MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems)
PCB (Printed Circuit Board)
PID (Proportional-integral-derivative)
PWM (Pulse Width Modulation)
RF (Radio Frequency)
SISO (Single-Input-Single-Output)
UAVs (Unmanned Aerial Vehicles)
VTOL (Vertical Take-Off and Landing)
Plataforma Mvel Area QuadRotor
xvi
Plataforma Mvel Area QuadRotor
1
1 Introduo
Os Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) so veculos no tripulados, que podem ser
divididos em duas categorias, asas fixas (Fixed wings) e asas rotativas (Rotary wings).
Veculos UAVs de asas rotativas possuem algumas caractersticas que proporcionam
uma clara vantagem em relao a outros tipos de veculos [1], ultrapassando a
capacidade de outras solues areas tal como o aeroplano ou avio, ou mesmo de
alguns modelos de helicpteros convencionais. Algumas dessas caractersticas so a
descolagem e a aterragem vertical, Vertical Take-Off and Landing (VTOL), a
capacidade de se manter em suspenso e imvel numa determinada localizao por
longos perodos, assim como, a facilidade de descolar e aterrar em espaos limitados e,
a capacidade de pairar e voar a baixas velocidades.
Estas Plataformas Areas Mveis tm demonstrado, cada vez mais, uma grande
utilidade para os meios de vigilncia, tanto ao banditismo, como preveno de fogos
florestais, na observao de fenmenos meteorolgicos e em especial em ambientes
inspitos de difcil acesso ao homem, entre outras aplicaes.
Existem verses de 2, 3, 4, 6 e 8 motores, sendo que, quanto maior o nmero de
motores melhor a manobrabilidade e estabilidade dinmica area. No geral estas
plataformas so remotamente controladas, mas tm sido feitos esforos para torn-las
semi-autnomas ou completamente autnomas.
1.1 Objectivos e Motivao
Este projecto tem como objectivo o desenvolvimento de uma plataforma mvel
area QuadRotor, onde se dever efectuar o controlo de 4 motores com hlices de
propulso. Existem vrias designaes para estes veculos, no decorrer deste documento
o nome utilizado ser QuadRotor. Sendo este um projecto ambicioso pela
multiplicidade de reas abrangidas e a necessidade exploratria de metodologias at
ento no utilizadas, foi um dos principais factores motivacionais para o
desenvolvimento desta dissertao.
O sistema dever ser capaz de se estabilizar independentemente da altura ou
direco. A estrutura poder ser mais rudimentar numa fase inicial do projecto, podendo
avanar para materiais compsitos tal como, a fibra de carbono quando assim for
Plataforma Mvel Area QuadRotor
2
necessrio. O desenvolvimento da estrutura, a motorizao, acomodao das baterias e
controlo dos motores so os elementos que se pretende desenvolver. Os motores/hlices
estaro dispostos nos extremos dos eixos do QuadRotor, os quais fazem um ngulo de
90 entre si e devero possuir impulso suficiente para, descontando o peso da
plataforma sem carga, transportar at 500 g de carga til.
Ser ainda fundamental um estudo prvio para escolher os componentes mais
adequados a utilizar no sistema, assim como, as suas leis de controlo e filtros partindo
de estudos realizados sobre a modelao e comportamentos de sistemas de fuso
sensorial.
1.2 Organizao da dissertao
No primeiro captulo feita uma breve introduo ao tema da presente dissertao,
os objectivos propostos para a sua elaborao e tambm a organizao deste documento.
No segundo captulo apresenta-se a reviso bibliogrfica. Atravs de um trabalho
de pesquisa feita uma breve referncia histria do QuadRotor, assim como o seu
desenvolvimento e as aplicaes mais comuns na actualidade.
No terceiro captulo descrito o QuadRotor. Neste captulo, so enunciados os
requisitos do sistema assim como, os fundamentos tericos e hardware utilizado no
sistema e subsistemas constituintes.
No quarto captulo apresentada a modelao do sistema, focando a dinmica do
QuadRotor, a fuso sensorial, os filtros e o seu mtodo de controlo.
No quinto captulo so expostas e analisadas as implementaes e resultados
obtidos pelo sistema e subsistemas.
No sexto captulo so discutidos os resultados obtidos no decorrer da realizao
desta dissertao.
No ultimo captulo so apresentadas as concluses e por fim proposto o trabalho
futuro.
Plataforma Mvel Area QuadRotor
3
2 Reviso Bibliogrfica
2.1 Histria
O primeiro QuadRotor surge no incio do sculo XX, depois da tentativa fracassada
do professor e cientista francs Charles Richet de construir um helicptero no
tripulado. No entanto em 1906, inspirado pelo seu professor, um dos alunos de Richet,
Louis Brguete juntamente com o seu irmo Jacques, decidiram comear a construir o
primeiro QuadRotor com a orientao de Richet [2] [3].
Em 1907, os irmos terminaram ento o primeiro QuadRotor, ao qual chamaram
Brguet-Richet Gyroplane No. 1, ilustrado na Figura 1. Equipado com motor nico de
40/45 HP (30/34 kW), a sua estrutura possua um peso de 578 kg, includo o peso de 2
tripulantes, em cada canto tinha um propulsor de cerca de 8.1 m e o controlo dos 4
propulsores era realizado atravs de uma alavanca mecnica. Consta-se que esta
aeronave era muito instvel e de difcil conduo, conseguindo atingir uma altura
mxima de 1,5 m. Apesar de no ter obtido o sucesso pretendido, ainda hoje utilizado
o mesmo princpio de funcionamento de pares de propulsores a rodar em sentidos
opostos [2] [4] [5].
Figura 1 - Modelo 3D do primeiro QuadRotor Brguet-Richet Gyroplane No. 1 [5]
Mais tarde em 1920, um jovem engenheiro da Peugeot, Etienne Oemichen,
comeou a fazer vrias experincias com aeronaves de asas rotativas, depois de alguns
insucessos, em 1922 surge ento, o QuadRotor Oemichen No.2 de 800 kg presente na
Figura 2 e Figura 3. Com um motor de 180 HP (134 kW), contendo 4 propulsores e 8
pequenas hlices laterais, este QuadRotor possua considervel grau de controlabilidade
e estabilidade. Efectuando mais de mil ensaios, estabeleceu o primeiro recorde de
Plataforma Mvel Area QuadRotor
4
distncia de asa rotativa ao voar 360 m, ganhando mais tarde um prmio por voar em
circuito fechado durante 7 min e 40 s cerca de 1 km, sendo a sua velocidade mdia de
7.8 km/h. O Seu recorde mximo a voar foi de 14 min [3] [5].
Figura 2 - Planos do Oemichen No.2 [4]
Figura 3 - Oemichen No.2 [4]
Em 1922, surge um dos maiores QuadRotors do Exrcito dos EUA, o Flying
Octopus construdo pelo russo Georges Bothezate, e que pode ser visto na Figura 4.
O Flying Octopus com o peso de 1678 kg e um motor de 220 HP (164 kW) possua
uma estrutura em X, com braos de 9 m e com 4 rotores de 8.1 m com 6 propulsores
cada. Este QuadRotor fez cerca de 100 voos e mostrou-se bastante estvel, no entanto, o
exrcito exigiu que este atingisse os 100 m de altitude, no entanto, o mximo atingido
foi de 5 m. O projecto foi cancelado devido baixa potncia, altos custos financeiros e a
vrios problemas de fiabilidade [3] [4].
Plataforma Mvel Area QuadRotor
5
Figura 4 - Flying Octopus [3]
2.2 QuadRotor na Actualidade
Durante um longo perodo de tempo o tema QuadRotors deixou de ser tpico de
explorao pois os resultados obtidos anteriormente no eram suficientemente bons. No
entanto, nos ltimos anos, devido aos progressos na tecnologia dos sensores actuadores
e processamento de dados, houve um grande desenvolvimento nesta rea de pesquisa.
Vrias Universidades, alunos e investigadores trabalharam arduamente de forma a poder
apresentar as melhores e mais robustas tcnicas de modelagem. Desde ento foi
testemunhada uma rpida e incrvel evoluo.
Actualmente, estas aeronaves no apresentam cabine de pilotagem e tm dimenses
bastante reduzidas, assim como uma razovel autonomia de voo, o que permite uma
grande controlabilidade at em espaos inspitos.
Existe j no mercado algumas aeronaves a serem comercializadas, assim como
vrios laboratrios de investigao a realizarem experincias. No presente subcaptulo
apresentam-se algumas destas investigaes e trabalhos realizados nos ltimos anos.
2.2.1 Parrot AR Drone
O AR Drone, Figura 5, um dos mais populares QuadRotors, que surge em 2010
pela empresa Parrot, lder mundial em dispositivos sem fios para telemveis. Com este
dispositivo surge um conceito inovador, uma plataforma mvel voadora controlada por
WIFI atravs do touch-screen de um iPhone, iPod Touch ou iPad, com controlo simples
e intuitivo. Este dispositivo equipado com uma cmara de vdeo frontal que permite
ainda adicionar cenrios de realidade aumentada, onde por exemplo o utilizador pode
fingir armas de fogo e alvos e assim jogar com o seu QuadRotor [6] [7].
Plataforma Mvel Area QuadRotor
6
O ARM9 de 468 MHz o processador utilizado no AR Drone, os sensores
utilizados so o acelermetro de 3 eixos, o giroscpio de 2 eixos e um giroscpio de
preciso de 1 eixo (Yaw). Contm 4 Motores sem escovas, (3,500 RPM, potencia:
15 W), bateria de Ltio (3 clulas, 11.1 V, 1000 mAh). As suas dimenses e peso
utilizado no modo indoor so 52,5 cm x 51,5 cm com um peso de 420 g, enquanto no
modo outdoor so 45 cm x 29 cm, com um peso de 380 g. A velocidade mxima de voo
de 18 km/h (5 m/s), e a sua altura pode ser controlada de 10 cm at 6 m, com uma
faixa operacional at 50 m e autonomia em voo de 12 min [8].
Figura 5 - Parrot AR Drone [6]
2.2.2 Dranganflyer Innovations Inc
Uma outra empresa que se dedica construo e comrcio de veculos remotamente
controlados a Draganflyer Innovations Inc fundada em 1998, por Zenon e Christine
Dragan. O seu prottipo Draganflyer foi originalmente concebido como helicptero de
baixa manuteno que mais tarde evoluiu para uma plataforma equipada com uma
cmara de vdeo, de forma a produzir imagens do seu voo. Desde ento a Draganflyer
Innovations j lanou vrios modelos Draganflyer, que podem realizar varias operaes,
incluindo pesquisa e assistncia de emergncia, observao area e tctica, entre outras.
ainda neste modelo que muitas Universidades e investigadores se baseiam para as
suas pesquisas [9].
2.2.3 Draganflyer X4 Helicopter
O Draganflyer X4 Helicopter, Figura 6, o mais acessvel da gama. considerada
uma plataforma estvel e fivel para obter fotos areas e de vdeo. Contm uma
estrutura em X fabricada em fibra de carbono, nylon e alumnio. Mede 64.5 cm, com
uma altura de 21 cm e peso de 680 g, tem a capacidade de transportar at 250 g. A
Plataforma Mvel Area QuadRotor
7
comunicao por rdio frequncia (RF) bidireccional com um dbito de 250 Kbps, na
banda dos 2.4 GHz e antenas omnidireccionais1, enquanto a transmisso de vdeo
unidireccional na banda dos 5.8 GHz. Quanto aos sensores utiliza 3 acelermetros, 3
giroscpios e 1 sensor de presso baromtrica [10].
Figura 6 Draganflyer X4 [10]
2.2.4 Draganflyer X8 Helicopter
O modelo X8, Figura 7, o maior UAV da gama Draganflyer, e vem equipado com
8 motores ao contrrio dos 4 motores habituais, o que permite transportar at 1 kg de
carga. A sua estrutura em X de fibra de carbono, nylon e alumnio mede 87 cm, tem
32 cm de altura, dobrvel e de fcil transporte. Pesando 1,7 kg, este UAV tem
autonomia de 20 min de voo.
As comunicaes RF so bidireccionais com um dbito de 250 Kbps na banda dos
2.4 GHz, com antenas omnidireccionais e a transmisso de vdeo tambm
bidireccional, 5.8 GHz, com antenas omnidireccionais.
Est ainda equipado com 11 Sensores, 3 acelermetros, 3 giroscpios, 3
Magnetmetros, 1 sensor de presso baromtrica, 1 Global Positioning System (GPS)
[11].
1 Que tem as mesmas propriedades em todas as direces.
Plataforma Mvel Area QuadRotor
8
Figura 7 Draganflyer X8 [11]
2.2.5 X-4 Flyer Mark II
Com o objectivo de projectar um QuadRotor prtico, Pounds da Australian
National University, desenvolveu o X-4 Flyer Mark II, Figura 8. Esta plataforma com
uma robusta estrutura de 70 cm em fibra de carbono e alumnio pesa 4 kg e tem
capacidade para transportar 1 kg, o que a torna bastante mais pesada que a grande
maioria dos QuadRotors concorrentes. Foi introduzido um controlador linear Single-
Input-Single-Output (SISO) implementado para controlo de atitude, com o objectivo de
estabilizar o Pitch e o Roll [12]. O tipo de controlo adoptado o controlo Proportional-
Integral-Derivative (PID), e a plataforma caracterizada por possuir os rotores
invertidos, sendo comprovados os seus benefcios atravs das simulaes efectuadas em
MATLAB, foi ainda concludo, que a sua conduo deveria ser mais fcil se fosse
efectuada atravs de um controlo remoto ou de um piloto automtico [13].
Figura 8 - X-4 Flyer Mark [12]
Plataforma Mvel Area QuadRotor
9
2.2.6 OS4-Omnidirectional Stationary Flying Outstretched Robot
O QuadRotor OS4, Figura 9, foi desenvolvido por Bouabdallah e a EPFL (cole
Polythecnique Fdrale de Lausanne), desde a concepo mecnica, passando pela
modelao dinmica at deteco e controlo dos ngulos de orientao. Este tinha
como objectivo um veculo VTOL com total autonomia em ambientes internos. OS4
um veculo bastante eficiente no rcio entre a potncia utilizada e a sua massa [14].
Mais tarde em 2007, Bouabdalla, utilizou como tema de doutoramento o controlo
utilizado no OS4. Foram utilizadas vrias abordagens tais como PID clssico, Controlo
ptimo Linear Quadratic (LQ), Backstepping, Backstepping com Integral, e
descrevendo todas as vantagens e desvantagens dos diferentes controlos [15].
Figura 9 - OS4 [16]
O controlador LQ revelou-se problemtico, devido difcil tarefa de encontrar
matrizes de peso para satisfazer o controlo de estabilidade. O autor chegou por fim
concluso que a abordagem Backstepping com Integral era a tcnica mais eficiente de
controlo. Na Figura 10, pode-se observar a sua estrutura de controlo, utilizando
Backstepping com integral para controlo de atitude, altitude e posio, e controlo PI
para a velocidade do motor [16].
Figura 10 - Estrutura de controlo OS4 [16]
Plataforma Mvel Area QuadRotor
10
2.2.7 STARMAC
Este veculo comeou a ser desenvolvido em 2003, pelo Departamento de
Aeronutica da Universidade de Stanford e pelo Departamento de Cincias
Computacionais da Universidade de Berkeley. O projecto foi utilizado para demonstrar
o conceito de multi-agente nas capacidades de vigilncia e controlo em ambiente real. O
projecto Starmac, Figura 11, tinha como objectivo a conduo autnoma de vrios
QuadRotors em simultneo, seguindo uma determinada trajectria fornecida
previamente pela Ground Station [17].
Figura 11 - Starmac [18]
Na viso geral do seu sistema, Figura 12, pode observar-se que contm um
microcontrolador PIC da empresa Microchip dedicado ao controlo dos motores e outro
dedicado s comunicaes. Para a estimao de posio combina-se num filtro Kalman
de 9 estados a informao proveniente do Inertial Measurement Unit (IMU), do sonar e
do GPS. A transaco de dados entre o veculo e a Ground Station relativos ao voo so
enviados atravs de comunicao Bluetooth [18]. Quanto s tcnicas de controlo as
utilizadas neste prottipo foram a PID, Integral Sliding Mode e o Reinforcement
Learning [18] [19] .
Figura 12 - Viso Geral do Sistema de hardware Starmac [17]
Plataforma Mvel Area QuadRotor
11
2.2.8 GRASP LAB construo de estruturas cbicas
Quentin Lindsey, Daniel Mellinger so dois alunos de doutoramento do GRASP
LAB da Universidade de Pennsylvania, Philadelphia. O seu trabalho baseia-se na
cooperao entre QuadRotors Hummingbird, de forma a construir estruturas cbicas. O
seu vdeo surgiu na Internet em Janeiro de 2011 e conta j com mais de 500 mil
visualizaes [20].
Estes QuadRotors, Figura 13 Garra e Partes da estrutura, possuem na sua parte
inferior uma garra que permite ento transportar partes da estrutura a montar. Estas
partes so prismas rectangulares que permitem ligar em cada n at 6 membros, e o seu
conjunto pesa no mximo 179 g (payload) [21].
Figura 13 Garra e Partes da estrutura [21]
Cada Hummingbird tem 2 nveis de controlo para a montagem das estruturas, alto
nvel e baixo nvel. O baixo nvel divide-se em 3 partes: primeiro pairar em determinada
posio; segundo deslocar-se numa trajectria especificada entre 2 pontos; terceiro
aplicar momentos de Yaw para testar se a estrutura est bem montada. No alto nvel os
QuadRotors so coordenados para efectuar uma montagem especfica com eficincia e
segurana. A Figura 14 demonstra o processo de construo de uma pirmide [21].
Figura 14 - Processo de construo [21]
O QuadRotor actua quase sempre em condies de suspenso (hovering), os
ngulos Roll e Pitch so proporcionais acelerao em e , e as aceleraes de
Plataforma Mvel Area QuadRotor
12
comando so calculadas pelo feedback PID do erro de posio. Aqui o termo integral do
controlo adapta-se constantemente, s mudanas da massa, do centro de massa e
mudana de Payload. O bloco do controlo de atitude gera velocidades diferenciais nos
motores de acordo com o controlo PD nos ngulos de Euler e velocidades angulares. O
controlo envia dados para as entradas do processador ARM7 presente no QuadRotor,
atravs da tecnologia ZIGBEE e a uma taxa de 100 Hz fixos, que executa o baixo nvel e
calcula a velocidade desejada dos motores [21].
2.2.9 ETH Flying Machine Arena
Este projecto tambm foi popularizado nas redes sociais, e referente tese de
mestrado Ball juggling experiments with QuadRotors in the ETH Flying Machine
Arena de Mark Mller, do instituto federal de tecnologia ETH Zrich.
Este vdeo mostra QuadRotors equipados com raquetes no seu topo, Figura 15, de
forma autnoma, a fazerem malabarismo com uma bola de ping pong, quer
individualmente ou em cooperao com outro QuadRotor. O vdeo surgiu no final de
Maro de 2011 e j conta com 2.2 milhes de visualizaes [22]. Esta dissertao
parte do projecto Flying Machine Arena, iniciado no vero de 2008 e ainda em
desenvolvimento, dirigida por Sergei Lupashin. O Project Flying Machine Arena conta
ainda com outros projectos tambm popularizados na internet, por exemplo,
QuadRotors a tocarem piano ou a serem controlados via Microsoft Kinect [23].
Figura 15 QuadRotor ETH Flying Machine Arena [24]
Os QuadRotors utilizados no Flying Machine Arena so baseados no Hummingbird
da empresa Ascending Technologies. A arena est equipada com 8 cmaras instaladas
no seu tecto, oferecendo preciso da sua localizao ao milmetro, com uma taxa de
transmisso de 200 Hz. Para captura de movimento utilizado o sistema comercial da
Vicon [24]. Esta arena, com todos os seus recursos tem conseguido excelentes
resultados contribuindo em muito para investigao e desenvolvimento nesta rea.
Plataforma Mvel Area QuadRotor
13
2.3 Aplicaes
Os QuadRotors tm aumentado o seu campo de aplicaes, abrangendo nos dias
que correm as mais distintas reas, as principais reas esto presentes na Tabela 1,
sendo descritas mais detalhadamente em [9] e [25] .
Tabela 1 - reas de Aplicao dos QuadRotors, (Adaptado de [9] e [25] )
Campos de Aplicao reas
Proteco civil
Apoio coordenao e comando no combate a incndios
Operaes de busca e salvamento.
Manuteno de estruturas
Inspeco de estruturas
Planeamento de obras em fbricas
Manuteno de estradas e auto-estradas
Fotografia area e vdeo
Cobertura jornalstica de eventos
Cinema e filmes promocionais
Fotografia de animais selvagens
Fotografia profissional
Segurana
Inspeco de zonas crticas
Alteraes de ordem pblica
Documentao de envolvncia
Vigilncia de permetros
Proteco ambiental Investigao de acidentes ambientais
Imobilirio Documentao e promoo de propriedades
Militar Vigilncia militar de tcticas
Aplicao da lei
Investigao de cena de crime e recolha de informao
Investigao de acidentes de viao
Anlise de congestionamento de trnsito
Eliminao de engenhos explosivos
Plataforma Mvel Area QuadRotor
14
Plataforma Mvel Area QuadRotor
15
3 QuadRotor
O QuadRotor um veculo no tripulado (UAV) de asa rotativa, com as
caractersticas Heavier-than-air (HTA) e VTOL e de dimenses reduzidas. Estes
veculos so uma classe de helicpteros, onde a sua propulso efectuada atravs de um
sistema de quatro motores/hlices posicionados em cada extremidade de uma estrutura
em X, normalmente actuados por um Electrnic Speed Controller (ESC). Para a sua
automatizao, estes veculos so geralmente equipados no seu centro com alguns
componentes electrnicos. Para o crebro da plataforma, so geralmente utilizados
Microcontroladores, podendo o QuadRotor ser autnomo ou controlado, via controlo
remoto (por exemplo atravs da tecnologia XBee/ZigBee). Para ajudar na sua estabilidade
recorre-se a sensores inerciais tais como giroscpio e acelermetro, assim como a uma
bssola digital e um sonar. Por uma questo de segurana, devem ser munidos de um
besouro (buzzer) para alarme da bateria e um boto de segurana.
Neste captulo, sero apresentados os requisitos do QuadRotor e de seguida sero
descritos os componentes utilizados para a realizao do projecto assim como, os
fundamentos tericos.
3.1 Requisitos
Para a execuo dos objectivos deste projecto existem alguns requisitos que a
plataforma dever cumprir.
O sistema dever ser capaz de manter o voo estabilizado;
A estrutura dever ser leve e robusta;
A plataforma dever ter a capacidade de transportar uma carga til de 500g;
A sua propulso dever ser feita por motores elctricos;
Deve ser utilizada a plataforma de desenvolvimento Arduino;
O sistema dever ser munido de sensores inerciais para o controlo de atitude;
A plataforma dever possuir proteces e sistemas de segurana para
salvaguardar a integridade fsica do utilizador e das pessoas ao seu redor;
Dever possuir uma autonomia superior igual ou superior s concorrentes
comerciais;
Na Figura 16 encontra-se o diagrama de blocos do sistema. De seguida sero
descritos os sistemas e subsistemas, necessrios para satisfazer os seus requisitos.
Plataforma Mvel Area QuadRotor
16
Figura 16 - Diagrama de Blocos do Sistema
3.2 Estrutura
A estrutura de um QuadRotor deve ser robusta, simtrica, e o centro de massa deve
estar centrado para coincidir com o eixo de inrcia do veculo. A estrutura deve ainda
estar preparada para perturbaes externas como vento ou contacto com objectos.
Quanto ao seu peso dever ser o mais baixo possvel, pois a sua autonomia aumentar.
Neste projecto foram utilizadas duas estruturas, uma na fase de testes, para a qual
foi desenvolvida uma plataforma para auxlio dos testes realizados e uma estrutura
comercial pr-fabricada para utilizao final aps adquirida a estabilidade na estrutura
de testes.
A estrutura de teste, Figura 17, foi desenvolvida pelo autor em alumnio no
Laboratrio de Automao e Robtica (LAR). Na sua construo, teve-se em ateno as
medidas para assim diminuir todos os erros mecnicos. Foram ento colocadas 4 barras
de dimenses 1.5 cm 1.5 cm 23.5 cm em forma de cruz, e unidos por dois
quadrados com 13 cm 13 cm. Foi ainda adicionado estrutura uma extenso de
16.5 cm de comprimento e s extremidades uma cruz de 25 cm 25 cm, de modo a
proteger toda a estrutura contra embates. O peso final da estrutura de teste de 823 g.
Plataforma Mvel Area QuadRotor
17
Figura 17 Estrutura de teste
A estrutura comercial adquirida, Figura 18, uma estrutura bastante mais leve,
construda com madeira (balsa) e fibra de vidro. Esta estrutura inclui j um sistema de
amortecimento de vibraes e vem preparada para utilizar uma cmara com inclinao
ajustvel atravs de um Servomotor. A estrutura possui uma altura de 200 mm,
comprimento de 550 mm e um peso de 175 g. Combinando todas estas caractersticas
resulta ento numa fuso bastante satisfatria.
Figura 18 Estrutura Final
Plataforma Mvel Area QuadRotor
18
3.3 Motores BLDC
Neste tipo de aplicaes, para a propulso, geralmente so utilizados motores de
corrente contnua sem escovas, BrushLess Direct Current (BLDC).
Os BLDC so considerados motores sncronos onde os manes permanentes
polarizados fazem parte do rotor e este no necessita de qualquer alimentao devido ao
facto de conter somente os manes permanentes. O estator fixo e composto por
bobinas que iro produzir o campo magntico responsvel pelo movimento. Os BLDC
podem ter configuraes de uma, duas ou trs fases, no entanto, os mais populares so
os de 3 fases. Correspondente sua configurao, o estator tem o mesmo nmero de
enrolamentos [26] [27] [28].
Os motores BLDC podem ser do tipo inrunner de manes rotativos e os outrunner
de caixa rotativa. Estes divergem assim no posicionamento do rotor e do estator. Os
esquemas podem ser observados na Figura 19. Nos motores inrunner a carcaa que se
encontra imvel e que contm as bobinas, encontrando-se os manes permanentes fixos
ao eixo do motor. Nos motores outrunner as bobinas encontram-se no centro do motor
que se encontra imvel, e os manes permanentes, tal como nos motores DC com
escovas, encontram-se na carcaa, que juntamente com o eixo do motor executam a
rotao [29].
Figura 19 (A) Esquema BLDC inrunner (B) Esquema BLDC outrunner [26]
A principal diferena entre motores com e sem escovas o conceito de comutao
das bobinas do motor. O motor de escovas tem uma armadura que actua como um
electroman com dois plos. As escovas entram em contacto com o comutador,
invertendo o sentido da corrente duas vezes a cada ciclo, mantendo o motor a funcionar
no sentido correcto [26] [28] [30]. Nos motores sem escovas, a posio exacta do rotor
detectada por sensores de hall ou tenso Back Electromotive Force (BEMF), e
continuamente enviada ao ESC, que comuta o estado atravs de transstores de potncia
Plataforma Mvel Area QuadRotor
19
fornecendo corrente ao prximo enrolamento para manter activa a rotao [26] [27]
[29]. A Figura 20 mostra um simples esquema para cada uma das comutaes.
Figura 20 Comutao das Bobinas [28]
Estes motores possuem um vasto nmero de vantagens em relao a outros tipos
usados no aeromodelismo. Em comparao a motores de combusto, os BLDC entre
outras vantagens, so bastante mais leves e no correm risco de incndio. Em relao a
outros tipos de motores elctricos, nomeadamente motores de corrente contnua com
escovas, o BLDC no possui escovas e por consequncia no tem qualquer desgaste,
requerendo uma baixa manuteno. So mais eficientes, o nvel de rudo emitido
baixo, e a sua vida til mais longa, sendo ainda a interferncia electromagntica,
Electromagnetic Interference (EMI), quase nula. As suas maiores desvantagens so o
seu preo e a complexidade do seu controlador electrnico [27] [28] [30].
Foram disponibilizados dois modelos de motores Outrunner BLDC do fabricante
RCTimer, o BC2836-9 880KV e o BC2836-7 1120KV. As caractersticas de ambos
podem ser observadas na seguinte Tabela 2.
Tabela 2 - Comparao de motores BLDC [31]
BC2836-7 1120KV BC2836-9 880KV
KV 1120 RPM/V 880 RPM/V
Corrente mxima 45 A 33 A
Tenso mxima 14.6 V 14.8 V
N de Clulas 2-4 LiPo 2-4 LiPo
Corrente nominal 23 A 16 A
Potncia 338 W 243 W
RPM 16576 13024
Resistncia 0,07 Ohm 0,107 Ohm
Impulso 550 g 420 g
Tenso 7,4 V 7.4 V
Peso 69 g 70 g
Plataforma Mvel Area QuadRotor
20
A potncia, RPM e impulso no motor de 1120 KV eram superiores, no entanto, o
seu consumo e vibrao aumentavam tambm com a utilizao deste motor. Em
conformidade com o Payload requerido foi escolhido o motor de 880 KV, Figura 21.
Figura 21 - Motor BLDC 880KV
3.4 Electronic Speed controller
Devido necessidade de controlar motores com 3 fases com um desfasamento de
120 graus, a cada motor foi ligado um ESC, que recebe uma entrada DC e coloca sada
os 3 sinais com o desfasamento requerido, devidamente sincronizados. Com este
dispositivo electrnico possvel controlar um motor BLDC atravs de modulao de
largura de impulso, Pulse-Width Modulation (PWM).
O ESC usa um microprocessador para gerir a operao dos interruptores de energia,
utilizando informao proveniente de sensores de Hall ou do efeito BEMF. Estes
interruptores com base na corrente e tenso do motor podem ser MOSFETs, IGBTs,
transstores bipolares ou simples. O circuito bsico de controlo de um ESC encontra-se
presente na Figura 22, e os seus principais componentes so o Driver IGBT, a ponte
inversora trifsica, o microprocessador e o circuito para deteco de posio do motor
[27] [29].
Plataforma Mvel Area QuadRotor
21
Figura 22 Diagrama de controlo de um ESC [27]
A cada 60 graus elctricos de rotao a mudana de fase dever ser actualizada.
Atravs de um inversor trifsico, possvel fornecer em simultneo a 2 bobinas a
energia necessria para deslocar o rotor at a prxima posio. As 6 combinaes
possveis para a mudana de fase encontram-se demonstradas na Figura 23, [27] [29]
[32].
Figura 23 Combinaes possveis para a mudana de fase [27]
No entanto, um ciclo elctrico pode no corresponder a um ciclo mecnico
completo. O nmero de ciclos elctricos que devem ser repetidos para completar um
ciclo mecnico, dado pelos pares de plos do rotor. Para cada par de plos uma
rotao elctrica efectuada, assim o nmero de par de plos equivalente ao nmero
de rotaes elctricas. Com comutaes bem sincronizadas o binrio mantm-se quase
constante [27] [29] [32]. Na Figura 24 pode ser observado as formas de onda da
corrente de cada fase, o sentido da corrente nas bobinas e o perodo de conduo das
comutaes.
Plataforma Mvel Area QuadRotor
22
Figura 24 - Esquema do princpio de comutao das boninas [26]
Neste projecto utilizou-se um ESC SS Series 60-70, do fabricante Hobbyking,
Figura 25. O ESC aconselhado para os motores utilizados de 40 A, no entanto, foi
escolhido um com gama superior, possibilitando uma utilizao futura com outros de
motores de diferentes requisitos. Na Tabela 3, encontram-se as caractersticas do ESC,
fornecidas pelo fabricante.
Figura 25 - ESC Series SS 60/70 Hobbyking
Tabela 3 Caractersticas ESC Series SS 60/70 Hobbyking
Alimentao I MAX Burst PWM Setting Peso
LiPo 4-8S 60A 70 A 8K/16K 63g
Plataforma Mvel Area QuadRotor
23
3.5 Hlices
Uma hlice um instrumento de aeromodelismo, que pode ser de traco ou
repulso, esquerdas ou direitas, e converte a energia mecnica fornecida pelo motor, em
movimento de traco do QuadRotor. Das caractersticas das hlices, o dimetro e o
passo so as mais importantes. O dimetro dado pelo dimetro do crculo descrito
quando a hlice gira, enquanto o passo a distncia que a hlice percorre quando
completa uma volta completa [33]. A notao utilizada descrita da seguinte forma:
10 4.5, onde 10 o dimetro e 4.5 o passo.
O comportamento de uma hlice pode ser baseado em 3 parmetros; o Coeficiente
de Thrust , Coeficiente de Potncia e Raio da Hlice , que permitem calcular as
seguintes Equao 1 e Equao 2. a densidade do ar e a velocidade angular [34].
= 44
2 2
Equao 1
= 45
3 3
Equao 2
Atravs destas equaes possvel observar que e aumentam
consideravelmente com o aumento do dimetro, e por consequncia o consumo de
energia tambm, diminuindo a autonomia. Deve-se ter em ateno esta relao no
momento da escolha das Hlices, de forma a encontrar um bom compromisso.
Como ser observado no subcaptulo 4.1, os pares de motores giram em sentidos
opostos. Para tal, necessria a utilizao de dois pares de Hlices opostas. No
laboratrio LAR existiam j dois conjuntos de Hlices, 10x4.5 e 12x4.5, aconselhadas
pelo fabricante do motor utilizado [35], recaindo a escolha sobre o conjunto 10x4.5,
visto estas serem as mais indicadas para as caractersticas da plataforma e Payload
requisitado.
Figura 26 - Hlices 10x4.5
Plataforma Mvel Area QuadRotor
24
3.6 Arduino
O Arduino uma plataforma de desenvolvimento que contm um Microcontrolador
da Atmel AVR, sendo bastante utilizada devido ao seu baixo preo e sua simplicidade,
quer a nvel de hardware como a nvel de software. O Arduino pode receber uma vasta
gama de entradas analgicas e digitais, barramentos SPI e I2C, interface srie, podendo
as suas sadas ser digitais ou PWM.
As ferramentas de desenvolvimento para o Arduino so vocacionadas para a
linguagem C/C++, existindo na comunidade de Arduino bastantes exemplos e cdigo
fonte disponveis e prontos a ser utilizados. Esta comunidade tem vindo a crescer,
permitindo a sua utilizao tanto a nvel profissional como a amador [36].
O seu ambiente de desenvolvimento (Integrated Development Environment - IDE),
Figura 27, prtico e beneficia da incorporao de uma vasta gama de exemplos. A
transferncia do cdigo para o Microcontrolador feita atravs de uma conexo USB e
existe ainda a opo de visualizao de uma janela srie da entrada e sada de dados.
Figura 27 Arduino IDE
Caso o programador necessite de uma aplicao de mais Alto Nvel, com ambiente
grfico e utilizando animaes, imagens e interaces, poder utilizar a linguagem e
ambiente de programao Processing, Figura 28. O Processing permite programas
interactivos em 2D, 3D e sada PDF, utilizando a biblioteca de funes OpenGL para os
programas 3D [37].
Plataforma Mvel Area QuadRotor
25
Figura 28 IDE do ambiente grfico arduino
3.6.1 Arduino Shields
O Arduino tem ainda uma particularidade, que o torna ainda mais interessante, os
Shields. So pequenas placas PCB com electrnica embebida e com a mesma disposio
de pinos do Arduino, bastando apenas encaixar o Shield na plataforma para assim
aumentar as suas funcionalidades. A Figura 29 demonstra o Shield desenvolvido para
este projecto.
Existem numerosos Shields disponveis, cada um deles com uma particularizar
aplicao, desde mdulos de MP3, Comunicao Ethernet, LCD, drivers para controlo
de motores, entre outros. Cada um destes com a comodidade de possurem bibliotecas
de funes que facilitam a sua utilizao [36].
Figura 29 - Arduino Shield
Plataforma Mvel Area QuadRotor
26
3.6.2 Arduino MEGA
Existem vrias plataformas de desenvolvimento da famlia Arduino, no entanto,
para este projecto foi escolhido o Arduino Mega. De entre muitos factores, alguns dos
mais relevantes para a sua escolha, foram o nmero e resoluo dos mdulos PWM
existentes, assim como o seu preo. As suas principais caractersticas esto descritas na
Tabela 4.
Tabela 4 Arduino Mega [36]
Microcontrolador ATmega1280
Tenso de operao 5 V
Tenso de entrada (recomendada) 7-12 V
Tenso de entrada (limites) 6-20 V
Pinos digitais I/O 54 (14 dos quais podem ser sadas de PWM)
Pinos de entrada analgicos 16
Corrente DC por pino I/O 40 mA
Corrente DC por pino 3.3V 50 mA
Memria Flash 128 KB com 4 KB usados pelo bootloader
SRAM 8 KB
EEPROM 4 KB
Velocidade do relgio 16 MHz
O Arduino Mega, Figura 30, deve ler um conjunto de sensores, composto por
acelermetro, giroscpio, bssola, e altmetro. Todos estes sensores tm ligao I2C.
Aps a leitura dos sensores, ser efectuado o processamento referente fuso sensorial
e ao controlo, enviando 4 sinais de PWM como sada, para actuar os motores do
QuadRotor. A altitude de referncia nesta abordagem ser dada atravs de um
potencimetro. indispensvel a utilizao do barramento de comunicao I2C (Inter-
Intergrated Circuit). Os 4 sinais de PWM possuem uma resoluo de 10bits e ainda
utilizada uma entrada analgica para o controlo de velocidade dos motores e assim
variar a altitude do QuadRotor.
Plataforma Mvel Area QuadRotor
27
Figura 30 - Arduino Mega [36]
3.7 Bateria
Para determinar qual a bateria a utilizar de acordo com as necessidades do projecto,
muitos factores foram levados em conta. No entanto, as mais importantes foram as
caractersticas do conjunto de motor e ESC utilizados e a autonomia do QuadRotor. Em
aplicaes de aeromodelismo as baterias mais utilizadas so as Lithium-Polymer (LiPo),
pois possuem uma maior capacidade em relao ao peso [38]. A alimentao escolhida
do ESC foi a do seu mximo potencial (4 clulas - 4S). A corrente nominal mxima dos
motores 16 A que no conjunto dos 4 motores soma 64 A.
A bateria escolhida foi a Turnigy 5000 mAh 4s/14.8 V 20c-30c LiPo, Figura 31.
Esta bateria LiPo possui 4 clulas 14.8 V e cada uma das suas clulas deve atingir
uma tenso mxima de 4.2 V e o valor tenso mnimo de 2.7 V, correndo o risco de
destruio do material caso o valor de tenso desa abaixo deste valor. A sua
capacidade nominal de descarga de 20 C, podendo fornecer 100 A em funcionamento
contnuo e picos de cerca de 150 A.
Figura 31 Bateria Turnigy
Plataforma Mvel Area QuadRotor
28
3.7.1 Monitor de bateria
Um dos problemas neste tipo de plataformas a autonomia da bateria e a rapidez
com que a bateria se descarrega. De modo a monitorizar a bateria, foi utilizado um
monitor de bateria com besouro, Figura 32. Este dispositivo electrnico emite sinais
sonoros e luminosos quando a tenso das clulas da bateria baixam at ao valor mnimo.
Desta forma o utilizador alertado para substituir ou carregar a bateria, de modo a
evitar que ela se descarregue demasiado originando o possvel dano da bateria ou do
QuadRotor, com a falha de alimentao e a respectiva queda.
Figura 32 Monitor de bateria com besouro
3.8 Sensores
Neste tipo de plataformas, a componente sensorial verdadeiramente importante,
para tornar o veculo o mais real e estvel possvel. Para o controlo de atitude e
orientao, utilizou-se um sistema inercial de 9 graus de liberdade, composto por
acelermetro, giroscpio e bssola digital, cada um de 3 eixos. A utilizao de um sonar
tambm importante nas tarefas de descolagem e aterragem, assim como no seu
controlo de altitude. Neste subcaptulo ser explicado cada um destes sensores, a sua
importncia e o sensor escolhido para a aplicao, assim como as suas caractersticas.
3.8.1 Acelermetro
Os acelermetros so sensores que permitem medir foras de acelerao,
inclinao, rotao, vibrao, coliso e acelerao da gravidade. De modo a aumentar a
sua eficcia estes dispositivos devem ser colocados o mais prximo possvel do centro
de gravidade do corpo. Existem vrios tipos de acelermetros, os mecnicos e
electromecnicos, Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS). Os MEMS tm vindo a
aumentar a sua popularidade, substituindo os acelermetros mecnicos.
Plataforma Mvel Area QuadRotor
29
3.8.1.1 Acelermetros MEMS
Os acelermetros MEMS podem transformar estas aceleraes em sinais
analgicos ou digitais, e so utilizados nas mais diversas reas. Por exemplo em
aplicaes mdicas, biomdica, indstria automvel, nos controlos para videojogos, nos
aparelhos de orientao GPS, nos telemveis e na indstria informtica, como por
exemplo nos discos duros prova de quedas [39].
Estes tipos de acelermetros so construdos totalmente em silcio, e dividem-se
em duas partes. A primeira chama-se massa ssmica e encontra-se suspensa por uma
espcie de mola formada em cada extremidade. J a segunda parte, um par de
elctrodos de deteco, que permitem aos componentes electrnicos detectar
movimento da massa ssmica em relao plataforma em torno do silcio. Desta forma,
quando o chip sofre uma acelerao, a massa move-se em relao ao chip e estrutura
fixa dentro dele. A quantidade de movimento depende do tamanho de acelerao, da
rigidez das molas e da massa da massa ssmica. Assim, quando a massa ssmica
deflectida, a impedncia entre as estruturas sensoriais sofre uma mudana que
detectada pelo sistema electrnico e a converte num valor de acelerao [40].
3.8.1.2 Princpio de Funcionamento do Acelermetro
Para simplificar o funcionamento de um acelermetro, pode-se pensar nele como
um sistema em que uma massa est presa atravs de uma mola. Quando nenhuma fora
est aplicada massa, o sistema encontra-se em repouso e o seu comportamento
encontra-se descrito na Figura 33A. Quando uma acelerao aplicada ao sistema, a
massa vai deslocar-se da rea de repouso efectuando um deslocamento de , como pode
ser observado na Figura 33B. Sabe-se pela segunda Lei de Newton, que a Fora dada
por; = . Como a massa se encontra ligada mola, pela Lei de Hooke, a mola
ir gerar uma fora oposta proporcional a , = , logo, = = . Como o
uma constante que depende somente das caractersticas da mola, a acelerao pode ser
calculada pelo deslocamento da sua massa interna, =
[41].
Plataforma Mvel Area QuadRotor
30
Figura 33 Simulao de um Acelermetro
Imaginando uma caixa com a massa e o sistema de molas visto anteriormente, mas
agora sem Gravidade, situao A da Figura 34, a massa dever manter-se imvel no
centro da caixa. Agora na situao B da Figura 34, a caixa largada em queda livre, e a
fora = aplicada, que age sobre a massa, e por sua vez uma fora contrria
= criada pelas molas [42] [43].
Figura 34 - Simulao de Acelermetro sem Forca Gravtica
Com a presena da gravidade, a caixa com a massa do corpo e sistema de molas,
vai reagir de forma diferente, pois aplicada constantemente a fora da gravidade ao
corpo. Na situao A da Figura 35, a caixa lanada em queda livre. Nesta situao
todo o acelermetro vai sofrer uma acelerao g de 9,80665 /2. A massa dentro do
acelermetro no vai causar qualquer deslocamento nas molas, logo a acelerao
medida pelo acelermetro ser zero. Por fim na situao B da Figura 35, o corpo est
em repouso sobre a terra. O acelermetro ir ler um valor g, pois a massa do corpo est
sujeita fora da gravidade, o que resulta num deslocamento das molas e respectiva
medio [42] [43].
Plataforma Mvel Area QuadRotor
31
Figura 35 - Simulao de acelermetro com Fora Gravtica
Como foi visto, o acelermetro est sempre sujeito fora da gravidade. Para medir
o valor da acelerao preciso remover a gravidade da leitura do sensor. Neste projecto
o acelermetro mais til como inclinmetro do que como acelermetro. Assim
girando o acelermetro, o efeito da gravidade da sua massa interna vai variar com o
ngulo de rotao, dando sadas diferentes para diferentes ngulos de rotao.
3.8.2 Giroscpio
O giroscpio um dispositivo utilizado para medir movimento angular. Existem
vrios tipos de giroscpios, que seguem diferentes princpios de funcionamento, no
entanto, eles podem ser agrupados em 2 grupos, giroscpios mecnicos e pticos.
O giroscpio baseia-se na lei da inrcia, o princpio da Fsica formulado por
Newton, segundo o qual um corpo em movimento permanece em movimento at que
uma fora externa a ele o impea de continuar [44]. O mais simples giroscpio
mecnico, Figura 36, surge em 1850 inventado por Jean Bernard Lon Foucault. Este
giroscpio continha uma pequena roda a girar no centro de uma estrutura Gimbal, que
consiste em 2 anis concntricos. Dessa forma, os anis podem mover-se para qualquer
lado, mantendo-se a roda a girar sempre no mesmo plano paralelo ao original.
No entanto, tanto estes aparelhos mecnicos como os pticos possuem grandes
dimenses e so caros. Ao longo dos ltimos anos, comearam a surgir giroscpios do
tipo MEMS, com um custo bastante reduzido e com boa bastante resoluo, o que levou
a uma grande utilizao destes dispositivos nos mais diversos aplicaes como por
exemplo controlo remoto de consolas de vdeo, em controlo de consolas portteis, na
rea da sade e na rea do desporto, entre outras [41] [45].
Plataforma Mvel Area QuadRotor
32
Figura 36 - Giroscpio mecnico de Foucault [41]
3.8.2.1 Giroscpios MEMS estrutura vibrante
Este dispositivo permite medir a velocidade de rotao de um objecto em torno do
seu eixo de rotao, ou seja a sua velocidade angular. Assim integrando em ordem ao
tempo, possvel saber a posio angular nos eixos, Yaw, Pitch e Roll.
Seguindo o modelo do acelermetro, quando o giroscpio est parado, dever
comportar-se como demonstra a Figura 37 A. Quando um giroscpio sofre uma rotao,
Figura 37 B, a massa submetida ao efeito de Coriolis, que provoca uma vibrao
secundria ortogonal direco original da vibrao, que imprime na massa um
movimento de rotao secundrio em direco ortogonal da rotao inicial.
Figura 37 Simulao de um Giroscpio
A fora de Coriolis aplicada massa dada por = 2 , onde a velocidade
angular, m a massa e a velocidade instantnea da massa. E por consequncia vai ser
gerada uma acelerao = 2 , que ser utilizada para calcular a velocidade angular
[41] [46].
Plataforma Mvel Area QuadRotor
33
3.8.3 Magnetmetros
Os Magnetmetros so dispositivos capazes de medir campos magnticos assim
como a sua orientao. Estes dispositivos tm sido utilizados pelo ser humano ao longo
do tempo, com aplicaes direccionadas para direco ou navegao como forma de
bssolas. No entanto, impulsionados pelo desenvolvimento tecnolgico, estes sensores
evoluram de forma e produzir sensores mais pequenos, mais precisos, com menor
consumo de energia e acima de tudo compatvel com uma larga gama de dispositivos
electrnicos. Desta forma, os Magnetmetros hoje em dia so utilizados em telemveis,
sistemas de navegao GPS, computadores portteis, levantamentos geofsicos, entre
outras.
3.8.3.1 Magnetmetros Anisotrpicos
Em aplicaes de tamanho limitado, os Magnetmetros Anisotrpicos so os mais
utilizados, pois oferecem preos bastante acessveis, tamanho reduzido e uma boa
preciso.
Os sensores magneto resistivos so compostos de filme fino Permalloy, Figura 38,
padronizados como um elemento de faixa resistiva. Quando um campo magntico
aplicado perpendicularmente ao fluxo da corrente, acontece uma mudana nos
elementos da ponte resistiva que provoca uma mudana correspondente na tenso de
sada da ponte[47] [48].
Figura 38 Campo Magntico Aplicado ao Sensor [48]
Para tornar estes sensores sensveis e eficientes, os 4 elementos so posicionados
em forma de ponte de Wheatstone, Figura 39. Estes elementos resistivos possuem todos
a mesma resistncia R e so alinhados de modo a possurem um eixo comum, que ir
proporcionar uma diferena de potencial positiva com campos magnticos a aumentar
na direco sensvel. Como a sada apenas proporcional componente do campo
Plataforma Mvel Area QuadRotor
34
magntico ao longo do eixo, pontes de sensores adicionais so colocados em direces
ortogonais, para permitir a medio precisa do campo magntico em qualquer direco
[47] [48].
Figura 39 - Ponte de Wheatstone [48]
3.8.4 Sensores Inerciais utilizados
Neste projecto optou-se por se utilizar sensores completamente digitais, o que
significa que o prprio sensor incorpora lgica digital capaz de converter o sinal
analgico proveniente dos componentes mecnicos, num sinal digital, que poder ser
enviado pelo protocolo de comunicao digital.
3.8.4.1 IMU Digital Combo Board - 6 Degrees of Freedom
Esta placa, Figura 40, uma plataforma de desenvolvimento da Sparkfun
Electronics, e est equipada com um acelermetro ADXL345 e um giroscpio ITG-
3200. Este dispositivo de dimenses reduzidas na sua totalidade possui 6 graus de
liberdade. A escolha deste dispositivo deveu-se s suas caractersticas, resoluo,
qualidade e documentao do acelermetro e do giroscpio [49].
Figura 40 - IMU Digital Combo Board [49]
Plataforma Mvel Area QuadRotor
35
O ADXL345, um acelermetro MEMS de 3 eixos com sada digital, produzido
pela Analog Devices. As suas principais caractersticas so [39]:
Baixo consumo, 40 A em modo de medida, e 0.1 A em modo standby
Escalas de consumo de energia automtica
Alta resoluo (13 bits) at 16 g
Largura de banda ajustvel
Incorporao de tecnologia FIFO para minimizar a carga do processador host
Interface digital I2C e SPI
Monitorizao de actividade e inactividade
Deteco de queda livre
Sobrevivncia a um embate de 10000 g
Permite medir inclinaes menores que 1
Fino e pequeno, com tamanho 3 mm 5 mm 1 mm
O ITG-3200 um giroscpio MEMS de 3 eixos com sada digital, produzido pela
InvenSense, as suas principais caractersticas so [45]:
Sensores 3 eixos angulares com uma taxa de sensibilidade de 14.375 LSB por
deg/sec
Ampla Escala de 2000 deg/seg
Sensor de temperatura integrado
Filtro passa baixo digital programvel
Consumo operacional de 6.5 mA
Interface digital I2C at 400 KHz
3.8.4.2 Triple Axis Magnetometer Breakout - HMC5883L
Esta placa de desenvolvimento, Figura 41, est equipada com uma bssola digital
anisotrpica de 3 eixos HMC5883L produzida pela HoneyWell. A sua escolha deveu-se
principalmente ao seu preo e documentao disponvel. As suas principais
caractersticas so [47]:
Sensores magneto resistivos montados numa superfcie
3.0 mm x 3.0 mm x 0.9 mm
ADC 12 bits com sensores de baixo rudo, comunicao I2C
Baixo consumo e baixa tenso de alimentao, 100 A, (2.16 V at 3.6 V)
Plataforma Mvel Area QuadRotor
36
Suporte de software e algoritmos
Podem ser utilizados em ambientes com campo magntico forte com uma
preciso de 1 a 2 graus
Figura 41 - Bssola digital HMC5883L
3.8.5 Sonar
Neste tipo de aplicaes, conhecer a altitude da plataforma muito importante em
questes de controlo, pois permite manter o QuadRotor estvel a uma desejada altura e
til nas operaes de descolagem e aterragem.
O dispositivo escolhido como altmetro foi o Sonar. Estes sensores de ultra-sons
so utilizados normalmente para deteco de obstculos e medio de distncias. O seu
funcionamento baseia-se na emisso e recepo de ultra-sons, e medio do tempo de
propagao do eco [50]. Ou seja, envia um impulso a uma alta frequncia que quando
encontra um objecto reflecte e volta em forma de eco. O sensor utilizado foi SRF08
UltraSonic Ranger, Figura 42, do fabricante Devantech. O sensor dever ser
posicionado no centro da estrutura, a apontar para baixo, de forma a medir a distncia
ao cho.
Figura 42 - Sonar SRF08 [51]
Plataforma Mvel Area QuadRotor
37
Este sensor de peso e tamanho reduzido, possui uma gama de medidas que
permite medir distncias entre 3 cm e 6 m. Tal como os restantes sensores utilizados no
projecto, o protocolo de comunicao utilizado o I2C. As suas principais
caractersticas podem ser verificadas na Tabela 5 (baseada em [51]):
Tabela 5 Especificaes SRF08
Tenso 5 v
Corrente 15 mA em Funcionamento e 3 mA em Standby
Frequncia 40 KHz
Alcance mximo 6 m
Alcance mnimo 3 cm
Comunicao I2C
Peso 11.3 g
Dimenso 43 mm x 20 mm x17 mm
Plataforma Mvel Area QuadRotor
38
Plataforma Mvel Area QuadRotor
39
4 Modelao do Sistema
A modelao do sistema parte fundamental para a realizao deste projecto. Nesta
seco, sero demonstrados os mtodos utilizados para a modelao do sistema, assim
como os conceitos matemticos e seus algoritmos. Inicialmente ser apresentada a
dinmica do QuadRotor seguindo-se a aquisio de dados e respectiva fuso sensorial,
passando pela estimao da orientao atravs de filtros e, terminando no controlo de
atitude do QuadRotor.
4.1 Dinmica do QuadRotor
Os propulsores do QuadRotor esto distribudos com uma configurao em X,
efectuando um desfasamento de 90 graus entre si. O seu funcionamento baseia-se no
princpio utilizado pelos irmos Brguete, que consiste em dois pares de propulsores a
girar em sentidos contrrios, o par (1,3) a girar no sentido horrio e o par (2,4) a girar
em sentido anti-horrio [2], situao A da Figura 43. Cada motor, para alm de criar
foras verticais, introduz tambm foras horizontais. Ao utilizar-se este mtodo, so
induzidas duas foras horizontais inversas que tendem a anular-se uma outra,
aumentando a controlabilidade do QuadRotor em torno do ngulo Yaw [52]. Caso todos
os motores sejam colocados a girar no mesmo sentido, todas as foras seriam aplicadas
no mesmo sentido e a plataforma tenderia a girar em torno de si prpria, dificultando
consideravelmente o seu controlo.
A Figura 43 contm uma legenda identificando um cdigo de cores
correspondentes s velocidades de rotao das hlices. Tem como objectivo facilitar a
compreenso dos esquemas dos movimentos do QuadRotor que sero demonstrados em
seguida.
Figura 43 Principio de Funcionamento
Plataforma Mvel Area QuadRotor
40
Aumentando a velocidade de rotao, amplia-se as foras de elevao. No caso das
foras aplicadas serem da mesma grandeza para os quatro motores, o QuadRotor ir
deslocar-se na vertical de baixo para cima, situao A da Figura 44. Se a velocidade de
rotao diminuir, as foras sofrem um decrscimo, e o QuadRotor ir deslocar-se na
vertical, mas neste caso de cima para baixo, situao B da Figura 44.
Deste modo, ento possvel deslocar a plataforma no eixo vertical, de baixo para
cima ou vice-versa.
Figura 44 Movimentos verticais
Caso se pretenda actuar o Yaw, para fazer a plataforma girar em torno de eixo
vertical no sentido horrio, aumenta-se a velocidade de rotao do par de motores (1,3)
e diminui-se (2,4), situao A da Figura 45. No sentido anti-horrio dever suceder o
inverso, situao B da Figura 45.
Figura 45 Movimento Yaw
Plataforma Mvel Area QuadRotor
41
Para actuar o Pitch, o par de motores (2,4) mantm a sua velocidade de rotao
constante, enquanto o motor 1 deve aumentar a sua velocidade de rotao e o motor 3
deve diminuir no mesmo nmero de grandeza, situao A da Figura 46. Ou ento
realiza-se o inverso para a situao B da Figura 46.
Figura 46 Movimento Pitch
Por fim, a actuao do Roll segue o mesmo procedimento de Pitch, mas neste caso
o par de motores que ir manter-se fixo o (1,3), enquanto o par (2,4) altera a sua
velocidade de rotao. Esta condio d origem s situaes A e B da Figura 47
correspondentemente, caso aumente a rotao do motor 2 e diminua a do 4, ou vice-
versa.
Figura 47 Movimento Roll
Para simplificar estes movimentos, na Tabela 6, encontra-se elaborado um pequeno
resumo dos movimentos do QuadRotor em relao s rotaes de cada motor (Baseado
em [52]).
Plataforma Mvel Area QuadRotor
42
Tabela 6 Resumo das rotaes dos motores e seu movimento
Motores 1 2 3 4 Aco
h + + + + Deslocamento Vertical Positivo
h - - - - Deslocamento Vertical Negativo
+ - + - Rotao sentido horrio no eixo Yaw
- + - + Rotao sentido anti-horrio no eixo Yaw
+ = - = Rotao no eixo de Pitch
- = + = Rotao no eixo de Pitch
= - = + Rotao no eixo de Roll
= + = - Rotao no eixo de Roll
4.2 Fuso sensorial
A fuso sensorial tem como principal objectivo fundir informao proveniente de
vrios sensores de forma a criar um sistema que permita obter uma informao mais
precisa, mais robusta e melhor que a obtida individualmente por cada sensor. Estes
algoritmos integram tcnicas de deteco de falhas nos sensores, de modo a que a sada
se mantenha aceitvel mesmo na ocorrncia de erros nas leituras.
Aps apresentados os sensores utilizados para aquisio de dados no decorrer do
projecto, sero agora apresentados neste subcaptulo os conceitos matemticos e
algoritmos necessrios para fundir as sadas dos sensores. Existem vrias tcnicas de
fuso sensorial. Neste subcaptulo, o seu desenvolvimento ser progressivo, comeando
por um nvel bsico de complexidade, at atingir a completa implementao da fuso
sensorial.
4.2.1 Inclinao usando acelermetro
Para controlar a estabilidade do QuadRotor, importante conhecer os seus ngulos
de Pitch, Roll e Yaw. Tal como referido no subcaptulo 3.8.1, o acelermetro pode
funcionar como um inclinmetro. Para um acelermetro funcionar como um
inclinmetro, ele usa o vector da Fora Gravtica e a projeco sobre os eixos do
acelermetro para determinar o ngulo de inclinao.
Plataforma Mvel Area QuadRotor
43
4.2.1.1 Inclinao utilizando acelermetro de 1 eixo
Utilizando um dos eixos do acelermetro e atravs do clculo de simples equaes
trigonomtricas aplicadas na Figura 48, possvel obter a inclinao.
Figura 48 Inclinao utilizando acelermetro de 1 eixo
O acelermetro mede a projeco do vector Gravidade sobre o eixo , que produz
um valor de acelerao igual ao seno do ngulo entre o eixo do acelermetro e o
plano horizontal, normalmente considerado como o plano ortogonal ao vector
Gravidade. Para um valor ideal da gravidade de 1g, a sada da acelerao dada atravs
da Equao 3, [53] [54]:
= 1 Equao 3
Modificando a Equao 3, ento possvel obter o ngulo de inclinao atravs da
Equao 4:
=
Equao 4
Nesta abordagem em que se utiliza apenas um dos eixos e que requer o vector
gravidade, o seu ngulo de inclinao calculado rigoroso se apenas existir rotao no
eixo do . Caso se aplique rotao em qualquer um dos outros eixos a magnitude da
acelerao no eixo do reduz, o que se traduz no erro do ngulo de inclinao
calculado [54]. Para eliminar este erro, necessrio utilizar mais do que um eixo.
4.2.1.2 Inclinao utilizando acelermetro de 3 eixos
Utilizando os 3 eixos do acelermetro possvel calcular o Pitch e o Roll
analisando geometricamente a Figura 49. O Pitch ( ) e o Roll ( ) so definidos como
os ngulos do eixo e em relao ao plano horizontal, respectivamente.
Plataforma Mvel Area QuadRotor
44
Figura 49 Inclinao utilizando acelermetro de 3 eixo
Usando simples equaes trigonomtricas, obtm-se as seguintes Equao 5 e
Equao 6 [53] [54] [55]:
= =
2 + 2
Equao 5
= =
2 + 2
Equao 6
Alm destas frmulas, pode-se ainda utilizar outro mtodo para melhorar a preciso
do acelermetro quando utilizado como inclinmetro. Como demonstrado na Figura 50,
para o mesmo valor de acelerao podem existir 2 ngulos diferentes. Para combater
esta ambiguidade, dividiu-se a inclinao de 0 graus a 360 graus do acelermet
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