CENTRO FEDERAL DE EDUCAO TECNOLGICA CEFET/MG Campus V

lan Crstoffer Gabriel Cabral

Rafael Alexander Rafael Cabral

Ronaldo Tavares

Relatrio final de Introduo Prtica Experimental: Quadricptero

lan Crstoffer Gabriel Cabral

Rafael Alexander Rafael Cabral

Ronaldo Tavares

Relatrio final de Introduo Prtica Experimental: Quadricptero

Relatrio tcnico apresentado ao final do projeto de Introduo Prtica Experimental com o intuito de expor o desenvolvimento e funcionamento de um quadricptero. Prof. Renato de Sousa Dmaso

RESUMO Este trabalho documenta a montagem e programao de um

quadricptero e explica seu princpio de funcionamento. Palavras-chave: quadricptero, controle, aeromodelismo

ABSTRACT This report documents the assembly and programming of a quadcopter

and explain its working principles. Keywords: quadcopter, control, aeromodelling

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Sumrio

1 INTRODUO ........................................................................................ 6

2 DESENVOLVIMENTO ............................................................................. 7 2.1 OBJETIVO GERAL ........................................................................... 7

2.1.1 Objetivos especficos ................................................................. 8 2.2 COMPONENTES .............................................................................. 8

2.2.1 Motores brushless ...................................................................... 8 2.2.2 ESCs .......................................................................................... 9 2.2.3 Giroscpio/Acelermetro .......................................................... 11 2.2.4 Radio/Wireless Transceiver ...................................................... 13 2.2.5 Hlices ..................................................................................... 13 2.2.6 Bateria ...................................................................................... 15 2.2.7 Frame ....................................................................................... 15 2.2.8 Arduino / ATMega328P-PU ...................................................... 15

2.3 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS ........................................... 15

3 RESULTADOS ...................................................................................... 26

4 CONCLUSES E RECOMENDAES ................................................ 26

5 REFERNCIAS ..................................................................................... 27 Lista de Imagens

FIGURA 2.1 LIGAES STAR E DELTA ..................................................................................................................................... 9 FIGURA 2.2 COMPARAO PPM E PWM............................................................................................................................ 10 FIGURA 2.3 LIGAO DO ESC EM UM ARDUINO ................................................................................................................. 10 FIGURA 2.4 DEMONSTRAO DE ROLL, PITCH E YAW................................................................................................. 11 FIGURA 2.5 DEMONSTRAO DE SWAY, SURGE E HEAVE.......................................................................................... 12 FIGURA 2.6 SENTIDO DE ROTAO DOS MOTORES ............................................................................................................. 14 FIGURA 2.7 HLICES DE SENTIDO HORRIO E ANTI-HORRIO ......................................................................................... 14 FIGURA 2.8 GY-512 ............................................................................................................................................................... 17 FIGURA 2.9 NRF24L01 ......................................................................................................................................................... 18 FIGURA 2.10 TESTE DO GY-512 .......................................................................................................................................... 18 FIGURA 2.11 TESTE DO NRF24L01 ................................................................................................................................... 19 FIGURA 2.12 FRAME, MOTOR E HLICES MONTADOS ........................................................................................................ 20 FIGURA 2.13 COMPONENTES MECNICOS MONTADOS ...................................................................................................... 20 FIGURA 2.14 FIOS DE ALIMENTAO DOS ESCS SOLDADOS NO CENTRO DO FRAME .................................................... 22 FIGURA 2.15 LIGAO DO ARDUINO NA PROTOBOARD PARA GRAVAO EM MICROCONTROLADOR ........................ 23 FIGURA 2.16 CIRCUITO CONTROLADOR COM OS COMPONENTES SOLDADOS ................................................................. 25 FIGURA 2.17 CIRCUITO CONTROLADOR POSICIONADO NO FRAME .................................................................................. 25

Lista de Tabelas

TABELA 2.1 RELAO DE MATERIAIS ..................................................................................................................................... 7

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1 INTRODUO Quadricpteros so multirotores compostos por 4 motores dispostos

em duas hastes perpendiculares, estando um em cada extremidade. Seu desenvolvimento e uso est sendo explorado em todo o mundo para as mais diversas finalidades, como entrega de mercadorias, busca de pessoas perdidas, monitoramento de fauna e flora, filmagens, aquisio de imagens, etc.

Hoje em dia o tipo de quadricptero mais utilizado o no tripulado

(drone), que possui tamanho reduzido e capaz de executar manobras rpidas, bem como voar ao ar livre ou dentro de construes.

Devido sua fcil montagem e controle, o quadricptero o tipo mais

comum de multirotor. Ele se utiliza de um giroscpio/acelermetro para calcular a velocidade dos motores, de forma a permitir o voo estvel do equipamento. Para navegao pode ser utilizado um modulo de radio, onde se recebe comandos de direo, ou um mdulo GPS ou similar, que permite que o quadricptero se desloque em um caminho previamente especificado.

Embora seja considerado de fcil montagem e controle, vrios campos

esto envolvidos durante sua montagem, como Mecnica, Eltrica, Eletrnica, Programao, Matemtica, Controle e Fsica. Como pode-se perceber, envolve todas as reas da Mecatrnica, alm de outras.

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2 DESENVOLVIMENTO Foi desenvolvido um quadricptero utilizando peas mecnicas e

eltricas encontradas no mercado to quanto de confeco prpria. A Tabela 2.1 mostra a relao de materiais gastos no projeto.

Tabela 2.1 Relao de materiais

Material Quantidade

Turnigy Aerodrive SK3 - 2822-1275 Brushless Outrunner Motor 4

Turnigy nano-tech 1300mah 3S 25~50C Lipo Pack 1

Turnigy Plush 18amp Speed Controller 4

F330 Glass Fiber Mini Quadcopter Frame 330mm 1

APC style propeller 8x4-E 4

nRF24L01 2.4GHz Radio/Wireless Transceiver 2

GY-512 (giroscpio/acelermetro) 1

Resistncias (10K) 4

Capacitores (10uF) 2

LM7805 (Regulador de Tenso 5V) 1

LM7833 (Regulador de Tenso 3,3V) 1

Mdulo Conversor Usb 2.0 Para Rs232 TTL 1

Placa de fenolite 2

ATMega328P-PU 2

O quadricptero utiliza de 4 motores com hlices giratrias,

controlados por ESCs (Eletronic Speed Controller Controlador eletrnico de velocidade), que so por sua vez controlados pelo mdulo controlador. Este se comunica com um controle remoto para receber instrues de operao.

Para a montagem foram utilizados ESCs, motores, hlices e um frame

comercial, e foram montados o controlador e o controle remoto responsvel por controlar os ESCs.

2.1 OBJETIVO GERAL Desenvolver um quadricptero capaz de levantar voo e manter

altitude.

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2.1.1 Objetivos especficos

Estudar o funcionamento bsico de um quadricptero.

Providenciar os componentes necessrios.

Testar o funcionamento dos componentes.

Implementar software controlador capaz de controlar os motores com o intuito de manter o quadricptero estvel no ar.

2.2 COMPONENTES

2.2.1 Motores brushless O motor brushless (motor sem escova) muito parecido com os

motores eltricos com escova em sua parte mecnica, entretanto no possui contato mecnico entre o rotor e o estator, e possui tambm um im em sua parte externa que gira em torno de seu prprio eixo, girando assim o rotor.

As vantagens deste tipo de motor so:

Alta potncia

Alto torque

Baixa inrcia

Tamanho reduzido

Peso reduzido

Alta eficincia

Longa vida til

No acumula poeira ou fascas

Baixo rudo

Baixa resistncia trmica

Alcana at 80.000 rpm Estes motores trabalham com corrente continua. A tenso e corrente

necessrias variam de acordo com o modelo. Seu acionamento feito atravs de 3 fios que esto ligados s bobinas. Existem duas formas de ligaes com finalidades especficas: Star (estrela), que tem menor consumo, e Delta, que possui maior fora. A Figura 2.1 mostra ambas ligaes.

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Figura 2.1 Ligaes Star e Delta

Fonte: http://mfreitas.por.ulusiada.pt/brushless.jpg Estes motores so diferentes dos motores convencionais por possuir

suas bobinas fixas na estrutura externa do motor, que gira, e no no eixo. Tambm se diferem por possurem 3 fios de controle, e no 2 como a maioria dos motores eltricos.

O acionamento e controle destes motores complicado e

normalmente utiliza-se de equipamentos especficos para facilitar o controle. No caso deste projeto foi utilizado o ESC.

2.2.2 ESCs O ESC (Eletronic Speed Controller Controlador Eletrnico de

Velocidade) responsvel por ativar e desativar bobinas do motor de forma a controlar a velocidade de rotao do mesmo.

Este equipamento possui 5 entradas e 3 sadas: VCC e GND vindos

da fonte de energia, VCC, GND e PPM (Pulse Position Modulation) vindos do controlador. As 3 sadas so conectadas ao motor.

PPM um pulso onde o dado transmitido varia de acordo com a

posio do pulso alto, e no sua largura, como o caso do PWM (Pulse Width Modulation). Este o tipo de onda que se obtm quando se decodifica ondas de rdio e tambm utilizada por cabos AV (Audio Video), como os utilizados para ligar aparelhos DVD a televisores. Uma comparao entre as ondas PWM e PPM representada na Figura 2.2.

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Figura 2.2 Comparao PPM e PWM

Fonte: http://blog.oscarliang.net/wp-content/uploads/2013/11/pwm-ppm-signal-example.jpg

A Figura 2.3 indica uma maneira de ligar um ESC em um Arduino.

Note que o ESC utilizado neste projeto no tem especificaes similares ao descrito na imagem, porm o ESC deve ser escolhido de acordo com o motor utilizado e a fonte de energia disponvel. Como escolher os componentes ser descrito na Subseo 2.3.

Figura 2.3 Ligao do ESC em um Arduino

Fonte: http://robotic-controls.com/sites/default/files/images/esc_bb1.png

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2.2.3 Giroscpio/Acelermetro Giroscpio e acelermetro so responsveis por determinar a

orientao do corpo ao qual esto acoplados no espao. Juntos permitem o controle com 4 graus de liberdade.

Grau de liberdade, na mecnica, o numero de parmetros

independentes que definem a configurao de um sistema. Um aeromodelo tem 3 graus de liberdade de rotao e 3 de translao. Os 3 de rotao so roll (rolar), pitch (arfar) e yaw (guinar) (ver Figura 2.4). Os 3 de translao so heave (elevar), sway (balanar) e surge (ondular) (ver Erro! Fonte de referncia no encontrada.Figura 2.5).

Figura 2.4 Demonstrao de ROLL, PITCH e YAW

Fonte: http://o.lnwfile.com/_/o/_raw/zr/5s/9m.jpg

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Figura 2.5 Demonstrao de SWAY, SURGE e HEAVE

Fonte: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/5/59/Translations.PNG Embora o sistema tenha 6 graus de liberdade, apenas 4 so

controlveis, nomeadamente roll, pitch, yaw e thrust (impulso). Thrust permite ao aeromodelo se propulsionar na mesma direo que suas hlices.

Controlando estes quatro graus de liberdade o quadricptero capaz

de se movimentar precisamente em um espao tridimensional. Giroscpio um instrumento capaz de medir a acelerao angular.

Com isso possvel descobrir a velocidade e deslocamento angular do mesmo, tornando possvel manter controle dos ngulos de yaw, pitch e roll.

Acelermetro um instrumento capaz de medir a acelerao vetorial

de um objeto. Com isso pode-se descobrir a velocidade e deslocamento vetorial do mesmo, podendo calcular os vetores componentes do heave, surge e sway.

No entanto ambos tem problemas de medio (WOODMAN, 2007). O

acelermetro sofre interferncia da fora gravitacional. O giroscpio acumula erros rapidamente, sendo confivel apenas nos primeiros poucos segundos de funcionamento.

Para corrigir este problema so aplicados clculos que permitem

diminuir drasticamente os erros um do outro sem perder preciso. O mtodo mais usado o Filtro de Kalman, tambm conhecido como estimativa quadrtica linear.

Aps a correo possvel obter medies precisas e confiveis, que

podem ser utilizadas para acompanhar o deslocamento e orientao da aeronave.

O GY-512, modelo utilizado no projeto, baseado no chip MPU-6050

que possui um giroscpio e um acelermetro, alm de uma unidade

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aritmtica dedicada conhecida como DMP (Digital Motion Processor), que faz vrios clculos relativos a movimento, como, por exemplo, aplicar o Filtro de Kalman. Embora de grande utilidade de difcil uso, devido pouca documentao. No entanto, existem bibliotecas para Arduino que fazem uso deste recurso. Neste projeto foi utilizada a i2cdevlib1. Os autores dizem ter descoberto como utilizar o DMP atravs de engenharia reversa.

2.2.4 Radio/Wireless Transceiver Unidades de radio so utilizadas para permitir a comunicao sem fio

entre o circuito controlador (embarcado) e um controlador remoto, que diz ao primeiro quais operaes devem ser executadas.

Neste projeto tanto o circuito controlador quanto o circuito do controle

remoto foram confeccionados pelos autores. Para permitir a comunicao

entre ambos foram utilizados dois mdulos nRF24L01 2.4GHz Radio/Wireless Transceiver, pelo seu baixo custo e alcance razovel.

Este mdulo possui bibliotecas fceis de serem utilizadas, necessita de baixa

tenso (3,3V) e consome pouca corrente. Toda informao relacionada ao uso deste modulo foi retirada do endereo eletrnico http://arduino-info.wikispaces.com/Nrf24L01-2.4GHz-HowTo

2.2.5 Hlices As hlices de um quadricptero devem ser analisadas com cuidado, j

que no so totalmente convencionais. Para estabilizar o quadricptero, os motores devem girar no mesmo

sentido do motor que se encontra na outra extremidade de sua haste, e no sentido oposto aos motores nas hastes transversais, conforme indicado na Figura 2.6. Caso isto no seja obedecido, o quadricptero no se estabiliza e executa um movimento yaw descontrolado.

Por este motivo, as hlices devem ser duas de sentido anti-horrio (as

mais utilizadas, comuns em helicpteros e avies) e duas de sentido horrio, que so difceis de encontrar no Brasil. As hlices de sentido horrio tambm so conhecidas, em ingls, como pushers.

Embora parea lgico que inverter uma hlice anti-horria faz dela

uma hlice de sentido horrio, isto no ocorre. A forma como feito o pitch da hlice (a toro em torno de seu eixo longitudinal) faz com que a inverso mude apenas o sentido em que o vento puxado e repelido. O normal (e desejado) que o vento seja empurrado no sentido hlice-motor. Para conseguir esse efeito quando o motor gira em sentido horrio indispensvel o uso de hlice prpria. (Garantia e Informaes de Segurana, 2013)

1 https://github.com/jrowberg/i2cdevlib

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Figura 2.6 Sentido de rotao dos motores

Fonte: http://www.cathalcoffey.ie/assets/projects/quadcopter/quad_rotations.png

A Figura 2.7 permite observar a diferena entre os dois tipos de hlice.

Atente para o fato que inverter uma hlice no a faz igual a outra (da forma como esto na imagem, ambas tem as ps com concavidade para baixo).

Figura 2.7 Hlices de sentido horrio e anti-horrio

Fonte: http://static.rcgroups.net/forums/attachments/1/4/0/5/4/1/a4657520-63-ccwtractor-cwpusher__jesolins.JPG

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2.2.6 Bateria A bateria ideal para um aeromodelo deve ter pouco peso e grande

carga, permitindo ao aeromodelo muito tempo de voo. Atualmente as baterias que melhor atendem a estes requisitos so as de polmero de on de ltio.

2.2.7 Frame O Frame deve ser o mais leve e resistente, enquanto capaz de

absorver vibrao. Atualmente os materiais mais utilizados so fibra de vidro e fibra de carbono.

2.2.8 Arduino / ATMega328P-PU Arduino uma plataforma de computao fsica baseada numa placa

com um microcontrolador, bem como um software para programar a placa. ATMega328P-PU o microcontrolador utilizado na placa Arduino

modelo UNO. Neste projeto ambos sero utilizados, porm ser feito o boardbreak

do microcontrolador, de forma que o software rodando seja cdigo Arduino (bootloader e bibliotecas compatveis) e que o mesmo seja posto em um circuito prprio, fabricado pelos autores, aproveitando assim a facilidade de programao e vasta coleo de bibliotecas disponveis para o Arduino e o baixo custo do ATMega. tambm um tima oportunidade para aprender mais sobre o uso de microcontroladores e alguns componentes eletrnicos.

2.3 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS Inicialmente foi feita uma pesquisa na internet para definir quais

materiais seriam necessrios para construir um quadricptero. Esta pesquisa inicial mostrou que o quadricptero normalmente comprado j montado, porm havia a possibilidade de comprar as peas separadamente. As peas so disponibilizadas separadamente com a finalidade de reposio.

A variedade de peas abundante, porm no no Brasil. No foram

encontrados vendedores no Brasil que praticassem preos justos, e mesmo os encontrados no tinham muitas unidades. Foi descoberto que todos os vendedores encontrados importavam suas peas e revendiam.

Com esta informao foi feita uma busca que revelou que a principal

marca neste setor a Turnigy, e a principal loja a Hobby King, que exporta para todo o mundo. Todos os fruns e blogs encontrados sempre indicavam ambas, por serem pioneiras.

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Acessando o catlogo da Hobby King, foi descoberto que no existe um padro de conexes e encaixes para as peas que compem o quadricptero, e que isso deveria ser observado durante a compra.

O site da loja tem uma funo que auxilia neste trabalho, que a

indicao das peas necessrias para montar o aeromodelo dada uma determinada pea. Este recurso foi utilizado para fazer um levantamento inicial de possibilidades.

O uso de termos e abreviaes desconhecidos pelos autores causou

dificuldades em decidir o que comprar. Houve dificuldade em averiguar se a bateria, motores e ESCs realmente poderiam ser utilizados em conjunto, ou se o site indicou algo errado.

Aps pesquisa (Garantia e Informaes de Segurana, 2013) foi

esclarecido que:

Na bateria: o Um nmero seguido de um S (p.ex.: 2S, 3S, 4S, etc) indica

o nmero de clulas da bateria. o Um nmero seguido de um C (p.ex.: 20C, 30C, etc) indica

a carga da bateria. Este C no entanto no est relacionado com Coulombs. Trata-se de um ndice.

o Para descobrir o tempo de voo mdio proporcionado pela bateria deve-se multiplicar o valor do indicador C pelo numero de mAh (miliamperes-hora) e dividir pelo consumo estimado dos motores.

No ESC: o Um nmero seguido de um A. Trata-se da corrente mxima

suportada pelo equipamento (em amperes). Este nmero deve ser maior que a soma da corrente mxima consumida por cada motor.

Foram ento comprados as Hlices, ESCs, motores, bateria e frame

listados na Tabela 2.1. Mais tarde foi descoberto que as hlices escolhidas no so as corretas: eram todas hlices de sentido anti-horrio. O site indicou estas hlices pois os motores Aerodrive SK3 so hbridos e servem tanto para quadricpteros quanto para helicpteros e avies. No momento da compra os autores no tinham conhecimento da necessidade de hlices especiais e confiaram no site.

A estimativa de entrega das peas era de um ms, mas levou dois

meses, pois o pacote ficou retido na alfndega brasileira por um ms. Durante o tempo de espera foram comprados os mdulos de rdio e

giroscpio/acelermetro da loja Eletrogate2, em Belo Horizonte, que foram imediatamente testados.

2 http://www.eletrogate.com

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O mdulo GY-512 (Figura 2.8) um circuito que utiliza o chip MPU-6050 e providencia algumas facilidades, como um regulador de tenso interno que permite o uso de tanto 5V quanto 3.3V.

Figura 2.8 GY-512

Fonte: http://playground.arduino.cc/uploads/Main/mpu-6050.jpg Seu mdulo DMP capaz de fornecer ngulos de Euler, unity

quaternion e ngulos ZXY (roll, pitch, yaw) corrigidos, bem como vetor acelerao e gravidade. Para este projeto foi escolhido os ngulos ZXY por sua possvel facilidade de extrao de informao para estabilizar o quadricptero. ngulos de Euler foram evitados por possurem muita ambiguidade (SICILIANO e SCIAVICCO, 2005) e o quaternion, embora o mais indicado por no possuir ambiguidade, composto por muitos elementos e apresentaria uma curva de aprendizado muito grande, aparentemente desnecessria para o objetivo do trabalho.

Durante o teste o GY-512 foi ligado a um Arduino, e controlava um

motor eltrico de 12V, encontrado em um leitor de CD, aumentando sua velocidade conforme sua inclinao no eixo Y aumentava. A Figura 2.10 um quadro do vdeo Gyro-Accel controlando Motor.mp4 que mostra o funcionamento descrito.

Os nRF24L01 (Figura 2.9) foram testados conectando ambos a

diferentes Arduinos e fazendo com que um Arduino enviasse um sinal para o outro. Ao receber este sinal o Arduino ligava ou desligava um led. Este teste foi registrado no vdeo Teste das placas WiFi.mp4. A Figura 2.11 exibe um frame deste vdeo.

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Figura 2.9 nRF24L01

Fonte: http://www.seeedstudio.com/depot/images/product/n%20RF24L01.jpg

Figura 2.10 Teste do GY-512

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Figura 2.11 Teste do nRF24L01

No foram encontradas dificuldades na montagem do frame j que

este possua manual de instrues, no entanto houve muita dificuldade na montagem dos motores, pois estes podem ser encaixados de duas maneiras.

Inicialmente a maneira mais clara de montagem do motor prendendo

sua parte superior no frame, porm foi observado que os fios teriam que girar em torno do eixo caso fossem fixados dessa forma. Aps analisar imagens e vdeos de motores parecidos montados foi observado que sua carcaa se move junto com o eixo, sendo o motor montado de forma contraria ao intuitivo. A possibilidade do motor ser fixado de duas formas existe pelo fato dele ser hibrido.

A fixao das hlices tambm gerou confuso, j que estas so feitas

para vrios modelos de motores, possuindo assim furo de dimetro muito menor que o dimetro do eixo do motor. Foi necessrio alargar o furo para que elas se encaixassem no motor, e usar um adaptador para fixar a mesma sem folgas, de forma a evitar vibraes.

Embora estranho esta a forma correta de manusear as hlices.

Sobraram muitos parafusos, porcas e arruelas da montagem. Isto tambm normal, as peas que sobram so utilizadas em outros tipos de montagens.

A Figura 2.12 mostra o motor fixado no frame j com a hlice. A Figura

2.13 mostra todos os componentes mecnicos montados.

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Figura 2.12 Frame, motor e hlices montados

Figura 2.13 Componentes mecnicos montados

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Aps montada a parte mecnica foram iniciados os trabalhos na parte eltrica. Primeiramente foi necessrio descobrir como ligar os ESCs nos motores e como aciona-los utilizando o Arduino.

O modelo de ESC comprado no possui conectores em seus fios, nem

para bateria, nem para os motores. Aps algumas consideraes foi decidido soldar os fios do ESC nos motores, mesmo estes tendo conectores machos. Isso, no entanto, no foi feito antes de todos os testes terem sidos concludos.

Durante os testes os fios foram presos usando fita isolante. Isso se

mostrou extremamente ineficiente, j que assim os fios no mantinham grande rea de contato. Isso fez com que a corrente fosse reduzida, permitindo que os ESCs fossem acionados e configurados, mas no permitindo que os motores girassem.

A configurao dos ESCs chamou a ateno dos autores por sua

interface incomum. O menu apresentado na forma de sinais sonoros, sendo que beeps de durao, espaamento e intensidades diferentes so opes diferentes do menu. A forma como o ESC gera estes sons tambm curiosa: ele utiliza as bobinas dos motores para gerar beeps variados.

Para configurar os ESCs foi necessrio utilizar sua interface de

comunicao PPM. Isso foi facilmente feito com o Arduino usando a biblioteca padro Servo. Para utiliz-lo necessrio primeiramente calibra-lo. Isso foi feito seguindo as instrues do manual, que manda iniciar o mdulo enviando a valor que representar o total, aguardar um tom de confirmao e ento enviar o sinal que ser tratado como baixo. Esta operao s precisa ser feita uma vez.

Aps a realizao dos testes, tendo-se certeza de como ligar e acionar

o componente, foi feita a solda. Os ESCs foram fixados em suas posies utilizando presilhas de plstico, e seus fios foram soldados aos conectores dos motores.

Como necessrio que os motores girem em sentidos diferentes, os

ESCs de uma haste tiveram seus fios soldados diretamente aos fios dos motores, enquanto os da outra haste tiveram dois fios trocados. Esta inverso de fios responsvel pela inverso de sentido de rotao do motor.

Os negativos dos ESCs foram todos soldados juntos, no meio do

frame. O mesmo foi feito com os positivos (Figura 2.14). Fios de 1,5mm de dimetro foram soldados junto aos negativos e positivos para conectar estes ao circuito de controle, que prov a alimentao. Foi feito o primeiro teste acionando os quatro motores de uma vez.

Foi possvel observar a fora destes motores. Os motores foram

ligados com velocidade de 25%, aumentando para 50%, 75% e 100%. Em 100% os motores tinham muita fora, mas estavam presos, o que os fez

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forar o frame que comeou a trepidar violentamente, desconectando a bateria.

Testes com velocidades menores foram gravados e podem ser vistos

nos arquivos de vdeo Teste 1.mp4, Teste 2.mp4 e Teste 3.mp4.

Figura 2.14 Fios de alimentao dos ESCs soldados no centro do frame

Foi tambm confeccionada uma placa para servir de controlador. Esta

foi feita observando as necessidades do microcontrolador, ATMega328P-PU. Existem duas formas de gravar o microcontrolador com software

Arduino: 1. Removendo o chip do Arduino e colocando o chip a ser gravado

no lugar, instalando o bootloader, caso ainda no tenha sido feito, e fazendo o upload de seu software.

2. Utilizando uma protoboard conforme o esquema apresentado na Figura 2.15 (capacitores de 18F a 22F, resistncia de 4.7 K a 10K e cristal de 16kHz).

A primeira forma pode danificar o Arduino e no recomendada.

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Figura 2.15 Ligao do Arduino na protoboard para gravao em

microcontrolador Fonte: http://arduino.cc/en/uploads/Tutorial/BreadboardAVR.png

Para programar o microcontrolador pela primeira vez foi montado o

esquema na protoboard. O Arduino foi carregado com o sketch ArduinoISP, que pode ser encontrado no menu exemplos. Aps selecionar a porta e modelo corretos no menu ferramentas, foi acionado o comando ferramentas->instalar bootloader.

Ocorreram erros de comunicao entre o Arduino e o microcontrolador

na protoboard. Aps verificar que todos os fios estavam corretamente conectados e firmes e repetindo o processo a instalao finalizou com sucesso. O mesmo processo deve ser repetido para fazer upload de seu sketch, mas utilizando a opo upload com programador, do menu arquivo.

Como a placa ficar no quadricptero e ser alimentada pela bateria,

foi necessrio adicionar um regulador de tenso para reduzir a tenso para 5V, conforme utilizado pelo microcontrolador e pelo GY-512. Foi necessrio tambm um segundo regulador de tenso de 3,3V para alimentar o nRF24L01.

O circuito foi desenhado utilizando o software Proteus. O primeiro

modelo foi impresso espelhado, esperando que assim ele sasse corretamente na placa. O que aconteceu. Isso fez com que fosse necessrio que o cobre e os componentes ficassem do mesmo lado. O circuito foi levemente modificado e reimpresso, desta vez sem espelhamento. No entanto no foram postas trilhas para ligar os ESCs.

O terceiro circuito foi particularmente difcil de ser terminado. Foram

necessrias doze horas para conseguir fechar o circuito. Isso ocorreu pois 19 dos 28 pinos do microcontrolador foram utilizados, o que resultou em muitas

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trilhas em sua volta, tornando extremamente difcil achar uma combinao de caminhos onde todos nenhuma trilha se sobrepusesse. Com isso foi aprendido que no se pode confiar no software para fazer todo o trabalho. Embora a funo autoroute seja extremamente til, ela no foi capaz de terminar o circuito, sendo necessria interveno manual.

A impresso foi feita em papel de revista de baixa qualidade. Embora

existam papis especficos para a transferncia, este foi o que se mostrou mais eficiente.

Aps a impresso o papel foi cortado com o intuito de diminuir seu

tamanho, ficando de dimenses bem prximas ao do circuito. Foi ento posto na placa de cobre, com o toner em contato com o cobre. Foi utilizado um ferro de passar roupa para aquecer o papel e transferir o circuito do papel pro cobre.

Aps dez minutos aplicando leve presso com o ferro de passar, o

mesmo foi desligado e o circuito mergulhado em agua. Todo o papel foi removido e o circuito ficou visvel, completamente transferido para o cobre.

Foi utilizado cloreto de ferro para corroer o cobre em volta do circuito.

O circuito ficou mergulhado na soluo por aproximadamente meia hora. Aps verificado a corroso total, o mesmo foi lavado com gua corrente.

Foi utilizado um furador tipo grampeador para furar a placa nos locais

onde seriam postos os componentes. Foi necessrio o uso de uma furadeira eltrica para alargar alguns furos.

Os componentes foram ento colocados em seus lugares e soldados

(Figura 2.16). A placa foi ento posicionada (no fixada) no quadricptero (Figura 2.17) e a bateria e ESCs foram ligados placa.

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Figura 2.16 Circuito controlador com os componentes soldados

Figura 2.17 Circuito controlador posicionado no frame

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3 RESULTADOS Foram adquiridos o frame, bateria, ESCs, motores e hlices que foram

montados. Foi desenvolvida uma placa controladora, que tambm centraliza a alimentao de todo o circuito.

Foi feito o boardbreak de dois ATMega328P-PU que so capaz de

rodar software desenvolvido para Arduino sem necessitar da placa deste, podendo ser posto em circuito prprio.

Foram iniciados os trabalhos no software controlador, utilizando a

biblioteca Qt 3 para fornecer uma interface grfica de controle do quadricptero, bem como no circuito que serviria de interface entre o quadricptero e o computador, no entanto o atraso da alfndega atrapalhou o cronograma planejado. O software s capaz de identificar o Arduino na porta USB. A placa de interface no foi desenvolvida.

O problema das hlices foi identificado aps a confeco da placa

controladora, quando foi percebido que havia algo errado, j que haviam hlices direcionando o ar para cima. Foram feitas tentativas de comprar hlices no Brasil, mas, como dito anteriormente, essas hlices so difceis de encontrar. Um anunciante (plataforma Mercado Livre) da cidade de Cludio mentiu ao dizer que havia as hlices procuradas, fazendo um membro do grupo de deslocar at l, sem sucesso. Outro anunciante diz ter as hlices desejadas, porm reside em Ouro Preto. A comunicao com este s foi realizada atravs do anncio, onde o dialogo restrito por normas e termos de uso, e o mesmo demora a responder. Tentativas ainda esto sendo feitas de comprar as hlices dele.

4 CONCLUSES E RECOMENDAES Quadricpteros so mquinas relativamente baratas e muito

complexas, e seu desenvolvimento envolve muitas reas do conhecimento. um timo objeto de estudo para qualquer engenheiro, principalmente o mecatrnico, e uma tima oportunidade de trabalhar com todas as reas que compem esta. Todo o estudo extremamente gratificante e a quantidade de conhecimento adquirido imenso.

no entanto uma rea nova e h muita dificuldade em encontrar,

principalmente, peas, pois h poucos fornecedores e as necessidades so muito especficas, no possibilitando o uso de substitutos.

Para quem quer iniciar um projeto como este, recomenda-se cautela ao escolher as peas e vendedores. Recomenda-se tambm a compra das peas separadas e um cuidado no envio: a bateria deve ser empacotada e enviada sozinha, pois sempre taxada. Coloca-la junto com as outras peas pode aumentar o custo do projeto em at 100%.

3 http://qt-project.org

Divinpolis 2014 27

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