Embed Size (px)
Citation preview
UNIVERSIDADE TECNOLOGICA FEDERAL DO PARANA
ENGENHARIA DE COMPUTACAO
GERSON LUIS SILVA FILHO
GUSTAVO TEIXEIRA RUDIGER
JONATHAN PONTES MORAIS DO NASCIMENTO
QUADRICOPTERO
MONOGRAFIA
CURITIBA
2011
GERSON LUIS SILVA FILHO
GUSTAVO TEIXEIRA RUDIGER
JONATHAN PONTES MORAIS DO NASCIMENTO
QUADRICOPTERO
Monografia apresentada a materia de Oficina
de Integracao 2, no curso de Engenharia de
Computacao da Universidade Tecnologica Federal
do Parana, como requisito parcial a aprovacao na
disciplina.
Orientador: Prof. Juliano Mourao Vieira
CURITIBA
2011
Resumo
Este projeto consiste em desenvolver um dispositivo eletro-mecanico capaz de se
locomover no sentido vertical e estabilizar-se no ar. O objetivo do projeto e interligar os
dados apresentados pelos sensores eletronicos ao software de controle e estabilidade, de
forma que o artefato permaneca no ar por alguns instantes. A montagem do equipamento
sera feita com base em algumas experiencias encontradas pela nossa pesquisa, e serao
utilizados quatro motores, quatro ESCs(Controladores Eletronicos de Velocidade), quatro
helices, um acelerometro, um giroscopio e como cerebro do projeto, um Arduıno.
Lista de Figuras
1 Tabela de compras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2 Motor brushless . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3 Motor usado no projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4 Esquema do ESC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
5 Sinal PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
6 Funcionamento do ESC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
7 ESC utilizado no projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
8 Acelerometro usado no projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
9 Giroscopio usado no projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
10 Arduıno utilizado no projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
11 Bateria utilizada no projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
12 Diagrama de Blocos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
13 Montagem dos componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
14 Montagem dos componentes II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
15 Funcionamento das helices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Sumario
1 Introducao 7
1.1 Motivacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.1 Objetivo Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.2 Objetivos Especıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3 Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2 Fundamentacao Teorica 9
2.1 Motor Brushless . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.1 Como funcionam os motores brushless? . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.2 Motor utilizado no projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Eletronic Speed Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.1 Como funciona o ESC? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.2 Aplicabilidade no Projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 Acelerometro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.1 Acelerometro Capacitivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.2 Acelerometro Piezoeletrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.3 Acelerometros Piezoresistivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.4 Acelerometro Eletro-Mecanico (MEMS) . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.5 Exemplos de aplicacao de acelerometros . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.6 Aplicabilidade no projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4 Giroscopio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4.1 Aplicacoes de Giroscopios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.2 Aplicabilidade no projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.5 Arduıno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5.1 Aplicabilidade no Projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.6 Bateria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3 Desenvolvimento do projeto 24
3.1 Desenvolvimento do Projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2 Montagem dos componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
6
4 Referencias Bibliograficas 29
A APS 31
7
1 Introducao
Um dos grandes desafios para o homem sempre foi voar, desde os primordios a
humanidade observa na natureza diversos seres que tem essa capacidade e utilizam-se
disto como uma ferramenta de sobrevivencia. Diversas foram as formas que os humanos
usaram para conseguir realizar este feito e assim aplicaram isto para fins de transporte,
belicos, academicos e ate de diversao. Com todas essas aplicabilidades para o voo, muitos
vem tentando aperfeicoa-lo de diversas formas com o passar do tempo, chegando hoje a
era dos estudos com voos nao tripulados (Unmanned Air Vehicles-UAVs) e tambem de
veıculos voadores menores (Micro Air Vehicle - MAV) (VALENTI; SCHOUWENAARS;
KUWATA; FERON e HOW). Dentro deste contexto, ainda existem varias possibilidades
de se desenvolver um veıculo, uma delas e um projeto que utiliza de quatro motores para
decolar e por isso e chamado de Quadricoptero ou Quadrotor.
Os Quadricopteros podem ser encontrados no mercado para os mais diversos
fins, e hoje em dia existem tecnologias suficientes para desenvolvermos um totalmente
eletronico, sem a utilizacao de combustıveis, utilizando apenas energia eletrica vinda de
uma bateria para alimentar o sistema. O controle de movimento da aeronave pode ser
realizado variando-se a velocidade relativa de cada rotor para alterar o empuxo e o torque
produzido por cada um. O grande desafio e sincronizar o controle destes dispositivos com
sensores para dar uma maior estabilidade ao voo.
1.1 Motivacao
Na disciplina de Oficina de Integracao 2 temos o primeiro contato com a parte
pratica de eletronica envolvida com outras partes vistas no curso. Devido a este fato,
queremos desenvolver dispositivos que nos chamem a atencao, como podemos observar
em projetos de outros semestres, porem motivados pela vontade de fazer algo realmente
novo e com outra utilidade. Tivemos entao a ideia de ultrapassar a barreira de um projeto
que se movimente a partir de rodas para algo que possa voar. Com este projeto queremos
abrir uma nova gama de possibilidades nesta disciplina para futuros projetos.
8
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo Geral
Desenvolver um dispositivo que utiliza quatro motores para se locomover, utili-
zando componentes eletronicos para controlar e estabilizar o voo. Ao final do projeto o
dispositivo devera ser capaz de levantar voo e permanecer no ar por alguns instantes.
1.2.2 Objetivos Especıficos
1. Realizar uma pesquisa sobre os projetos existentes para a montagem de um quadri-
coptero e baseado nesta determinar uma metodologia propria mais apropriada;
2. Providenciar os materiais que serao utilizados na montagem do Quadricoptero;
3. Testar e estudar o funcionamento dos componentes;
4. Implementar um software capaz de, utilizando os dados apresentados pelos sensores
do sistema, enviar informacoes para os motores a fim movimentar o Quadricoptero
no sentido vertical e estabiliza-lo no ar.
1.3 Metodologia
A partir do momento que o grupo decidiu que faria o Quadricoptero, foram feitas
diversas pesquisas sobre projetos existentes, projetos em andamento e informacoes de
pessoas que ja haviam construıdo um Quadricoptero. A partir destas pesquisas, o grupo
fez um levantamento de quais pecas iam precisar para que o projeto fosse viavel. Dentre
varios projetos interessantes, um nos chamou a atencao pela sua praticidade e baixo
custo, o projeto MultiWii1. Este projeto serviu-nos como base para aquisicao das pecas
que serao utilizadas para o desenvolvimento fısico do Quadricoptero. Fizemos entao a
encomenda das pecas, e comecamos a pesquisar sobre o funcionamento e de qual forma
elas se comunicariam. Foram compradas as pecas demonstradas na figura 1
1Pode ser encontrado no site: www.multiwii.com
9
Figura 1: Tabela de compras
Fonte: Autoria propria
Como os componentes tiveram que ser importados (devido ao alto custo deles
no Brasil e a dificuldade para encontra-los), o grupo realizou por um longo tempo uma
pesquisa teorica do seu funcionamento. Reunindo estas informacoes, terıamos uma base
de como estes componentes deveriam funcionar, e a partir da chegada dos mesmos, fazer
testes para verificar seu funcionamento real. Com as informacoes retiradas destes testes, o
grupo ira montar o Quadricoptero e desenvolver o software responsavel pelo seu controle
de estabilidade.
2 Fundamentacao Teorica
2.1 Motor Brushless
Este tipo de motor tem sua parte mecanica similar a um motor brushed (com
escova), entretanto um brushless nao possui nenhum ponto de contato mecanico entre
o rotor e o estator para passagem de eletricidade, e outra diferenca importante e que
este tipo de motor possui um ima na parte externa que gira em torno de seu proprio
eixo, desta forma girando tambem o rotor (FOUR,R.; RAMOUNTAR,E.; ROMEO,J.;
COPELAND,B.). Este tipo de motor vem se popularizando nos ultimos tempos por
possuir uma serie vantagens em relacao ao motor brushed:
• Possui potencia alta;
• Torque alto;
• Inercia baixa;
• Tamanho menor;
10
• Peso menor;
• Alta Eficiencia;
• Vida util longa (devido a ausencia de escovas e comutadores metalicos);
• Sem acumulo de poeira e faıscas;
• Baixo ruıdo;
• Baixa resistencia termica (assim tendo uma maior dissipacao de calor);
• Alcanca ate 80.000 rotacoes por minuto (este numero pode ser menor dependendo
do modelo adquirido).
Os motores brushless trabalham com corrente continua, com seu valor de entrada
dependendo do modelo do motor que sera usado.
2.1.1 Como funcionam os motores brushless?
Motores brushless possuem tres fios que formam as bobinas que podem ser ligadas
das seguintes formas demonstrada pela figura 2
11
Figura 2: Motor brushless
Fonte: http://mfreitas.por.ulusiada.pt/brushless.jpg
Quando sao ligadas em estrela, elas possuem um consumo menor, no entanto
quando ligadas em delta, possuem uma forca maior, ja que quando ligadas em delta a
corrente e igual para as tres bobinas(IRWIN, J.David), que sao ativadas a cada pulso
emitido pelo ESC, fato que nao ocorre na ligacao estrela. Nestes tipos de motores quem
gira e a parte externa do motor, e nao o seu nucleo como e feito em outros tipos de
motores, pois as bobinas sao fixadas na estrutura do motor. As tres pontas de saıda
sao ligadas a um auxiliador (no caso deste projeto um ESC) e este auxiliador tem uma
funcao importante para o motor, pois e ele que ira ditar o seu ritmo de funcionamento,
ele ira acionar sequencialmente as bobinas de acordo com a largura do pulso emitido pelo
Arduıno, este fato permitira ao grupo controlar a velocidade de giro do motor.
2.1.2 Motor utilizado no projeto
Devido as varias vantagens citadas anteriormente e varias pesquisas feitas e vıdeos
assistidos pelo grupo(o que nos permitiu ter uma previa visual do resultado que almeja-
mos), chegamos a conclusao que este modelo de motor seria o melhor para o Quadricop-
12
tero. Seguindo a dica do Projeto Multi-Wii, compramos o motor Turnigy 2830 Brushless2
por ser um motor com um preco acessıvel e ter a 1000 KV (unidade de rotacao/tensao),
garantindo a potencia necessaria para o Quadricoptero permanecer no ar e resistir a longos
voos.
Figura 3: Motor usado no projeto
Fonte:http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/catalog/T2830-1000.jpg
2pode ser encontrado neste link: http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/ 8495 Turnigy 2830Brushless Motor 1000kv.html
13
2.2 Eletronic Speed Control
A sigla ESC vem do ingles “Eletronic speed controller” e traduzida para o por-
tugues significa “controlador eletronico de velocidade”. Como o nome ja sugere este dis-
positivo e utilizado para controlar a velocidade de giros de motores eletricos controlados
por ele.
2.2.1 Como funciona o ESC?
Este dispositivo funciona como um controlador de passagem de energia para o
motor Brushless. Possui cinco entradas e tres saıdas como as descritas na figura 4
Figura 4: Esquema do ESC
Fonte: Manual do ESC comprado pelo grupo
1 – RED – Entrada para a fonte alimentacao, no nosso caso a bateria, com
corrente contınua com tensao de 5.5 a 16.8V;
2 – BLACK- Entrada para o terra da fonte de alimentacao;
3 – Entrada para o sinal PWM.
O sinal PWM, que vem do ingles Pulse-width modulation, e um sinal que varia
basicamente entre dois pontos de tensao, a tensao em alta e em baixa, o que difere um
sinal do outro e o chamado “duty cycle” (como mostrado na figura 5), que e o tempo em
que cada pulso permanece em alta. O ESC basicamente controla a velocidade do motor
a partir do “duty cycle” fornecido pelo sinal da entrada 3, da forma que quanto maior o
“duty cicle” maior e tensao fornecida para o motor e assim maior a velocidade com que
gira o motor brushless.
14
Figura 5: Sinal PWM
Fonte: http://aquaticus.info/pwm
Os ESCs geralmente sao construıdos com transistores que ligam e desligam o
sinal de uma forma muito veloz3, fornecendo assim uma tensao maior ou menor para os
motores, com isso quanto menor o numero de vezes que estes sinais desligam por um
determinado perıodo maior sera a tensao fornecida para o motor e com isso maior sera a
velocidade como demonstrado na figura 6
3Informacao retirada de: http://www.math.niu.edu/behr/RC/pwm.html
15
Figura 6: Funcionamento do ESC
Fonte:
http://homepages.which.net/paul.hills/SpeedControl/SpeedControllersBody.html
2.2.2 Aplicabilidade no Projeto
Para o nosso projeto do Quadricoptero o ESC se torna uma ferramenta indis-
pensavel, pois o dispositivo precisara variar a velocidade dos motores para estabilizar-se
no ar. Alem disto, para projetos futuros o Quadricoptero podera receber funcoes de
locomover-se em outras direcoes e sentidos, e para isto a precisao da determinacao da
velocidade dos motores e o seu controle serao muito uteis. Os ESCs utilizados foram os
modelos Turnigy AE-20A Brushless ESC que apresentam todas as funcionalidades neces-
sitadas pelo artefato com uma caracterıstica muito interessante para o projeto que e o
peso reduzido.
16
Figura 7: ESC utilizado no projeto
Fonte: http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/catalog/AE-20A.jpg
2.3 Acelerometro
Um acelerometro em termos basicos e um instrumento para medir aceleracao.
Em outros palavras pode-se dizer que e um componente que se baseia em leis da fısica
para medir aceleracao e por consequencia a velocidade e localizacao do objeto ao qual o
acelerometro pertence. Essas medicoes podem ser feitas em direcoes de uma,duas e ate
tres dimensoes,o que faz deste equipamento um instrumento muito util. Ao aprofundar-
mos o estudo dos acelerometros (FIGUEIREDO,Lıgia; GAFANIZ,Ana; LOPES,Gustavo;
PEREIRA,Ruben) verificamos que existem alguns modelos, dos quais citaremos o ace-
lerometro capacitivo, o acelerometro piezoeletrico, o acelerometro piezoresistivo e, o mais
popular, acelerometro eletro-mecanico (tambem chamado MEMS).
2.3.1 Acelerometro Capacitivo
Os acelerometros capacitivos sao aqueles que a capacitancia varia em resposta a
aceleracao, desta forma variando o sinal da saıda do circuito. Estes tipos de acelerometros
contem capacitores entre a massa e a estrutura do suporte sendo que estes capacitores
17
sao formados por duas placas, uma movel, portanto conforme a aceleracao a distancia
dessa placa movel varia, alterando dessa forma a capacitancia do conjunto. Este modelo e
ideal para aplicacoes em ambientes de baixa frequencia e ambientes que requerem medidas
estaveis em baixo nıvel.
2.3.2 Acelerometro Piezoeletrico
Nestes acelerometros sua massa e unida a um cristal piezoeletricos, definindo
rapidamente, estes cristais sao bastante utilizados em relogios e circuitos eletronicos ,
quando sao submetidos a uma pressao, eles geram um campo eletrico no eixo que foi
aplicado a pressao (SEARA). Quando este modelo de acelerometro se submete a uma
vibracao, sua massa obedece as leis da inercia e o cristal piezoeletrico fica submetido as
forcas de tracao e de compressao, dessa forma gerando cargas eletricas.
2.3.3 Acelerometros Piezoresistivos
Este modelo e muito parecido com o citado anterior, a diferenca e que ele possui
um componente piezoresistivo ao inves do cristal piezoeletrico, neste componente quem va-
ria de acordo com a forca exercida pela massa e a resistencia. Estes tipos de acelerometros
conseguem medir aceleracoes em valores muito baixos de frequencia.
2.3.4 Acelerometro Eletro-Mecanico (MEMS)
Este e o modelo de acelerometro mais usado, ele possui sensores que detectam a
aceleracao e a vibracao em ate tres dimensoes. Estes sensores sao sensıveis e versateis, per-
mitindo acrescentar novas capacidades, tornando-os mais eficazes. O movimento medido
por este sensor e convertido em um sinal analogico ou digital. Estes tipos de acelerometros
sao vistos em celulares, GPS, videogames, e sera o modelo usado neste projeto.
2.3.5 Exemplos de aplicacao de acelerometros
O grupo ao fazer pesquisas sobre o uso de acelerometros encontrou diversos proje-
tos onde foram construıdos inclinometros (ALVES) com estes componentes, projetos que
envolviam medicina onde os acelerometros foram de grande ajuda (FIGUEIREDO,Lıgia;
GAFANIZ,Ana; LOPES,Gustavo; PEREIRA,Ruben) para o uso na avaliacao do movi-
mento humano, sendo utilizado detectar variaveis fisiologicas e ate mesmo para detectar
18
disturbios de sono. Porem os acelerometros ficaram mundialmente conhecidos por suas
diversas formas de se aplicar em componentes eletronicos, os mais populares: Celulares
e Nintendo Wii. Em celulares como o Iphone da Apple pode-se verificar rapidamente a
funcao do acelerometro na mudanca de orientacao da tela, que ocorre quando se gira o
aparelho, esta funcao ja e comum em outros celulares e em novos produtos como ”ta-
blets”. Sao fatores simples, mas que ja facilitam o uso destes aparelhos. No videogame
Nintendo Wii, onde o acelerometro de tres eixos (tres dimensoes) e usado no controle, o
que aumenta a interacao do jogador com o jogo. Outros componentes eletronicos tambem
utilizam acelerometros, como notebooks (para proteger os discos rıgidos de quedas), em
veıculos (para a liberacao do airbag) e em GPS (para calcular velocidade e a localizacao
do carro).
2.3.6 Aplicabilidade no projeto
O modelo usado pela equipe e o ADXL330, que se encontra em alguns modelos
do ”Nunchuk”(controle do Nintendo Wii), este acelerometro possui eixo triplo com ruido
baixo e consome aproximadamente 320 uA. Seus sinais de saıdas sao tensoes analogicas
proporcionais a medida de aceleracao. Este acelerometro pode medir aceleracao estatica
da gravidade na inclinacao, e pode medir a aceleracao dinamica em movimentos, choques
ou vibracoes. Estas e outras informacoes podem ser encontradas no datasheet do mo-
delo4. O acelerometro no Quadricoptero sera util para calcularmos a sua inclinacao e a
sua aceleracao, essas informacoes serao de grande ajuda na hora do voo, ja que com elas
saberemos se os motores precisam de mais ou menos energia para equilibrar o Quadricop-
tero. Essas informacoes serao repassadas do acelerometro para um software desenvolvido
na plataforma Arduıno. Atraves desta comunicacao o grupo podera ajustar os mınimos
detalhes do voo.
4Pode ser encontrado neste link: www.analog.com/static/importedfiles/data sheets/ADXL330.pdf
19
Figura 8: Acelerometro usado no projeto
Fonte: Autoria propria
2.4 Giroscopio
Muitos artigos e textos sobre o giroscopio dao o credito de sua invencao ao fısico
Jean Bernard Leon Foucault, que inventou este com o intuito de demonstrar o movimento
de rotacao da terra. Ao se observar a foto de um giroscopio, nota-se que ele e um dis-
positivo que gira em torno de seu proprio eixo, e que quando submetido a uma forca ele
tende a mudar a orientacao do eixo de rotacao, fazendo que este eixo inves de mudar
de direcao, como faria normalmente um corpo que nao girasse, ele muda sua orientacao
para uma direcao perpendicular a direcao ”intuitiva”(STALLIVIERE). Em eletronica, os
giroscopios vem sendo desenvolvidos com a tecnologia MEMS (Micro Eletro Mechanical
Systems) e sao utilizados para complementar os acelerometros, desta forma melhorando
todos os componentes que o acelerometro ja era usado como videogames, GPS, celulares,
entre outros. De acordo com o fabricante (STMicroelectronics), os giroscopios utilizam
propriedades mecanicas para produzir estruturas dentro dos semicondutores para medir
movimentos e deteccao de movimento angular. Eles possuem sensores que possuem duas
saıdas separadas para cada eixo ao mesmo tempo, uma de valor de saıda nao amplificado
para detectar o movimento angular, e outro valor com uma amplificacao de 4 vezes para
medidas de alta definicao e altas frequencias.
20
2.4.1 Aplicacoes de Giroscopios
Assim como o acelerometro, o giroscopio foi popularizado atraves de aparelhos
eletronicos. Exemplo disso tem-se no Nintendo Wii, que chegou junto com uma peca
chamada “Wii Motion Plus” em 2008, prometendo uma maior realidade aos jogos do con-
sole. Por tras de toda a propaganda e promessas estava o giroscopio, que estava presente
nesta nova peca trazendo uma maior realidade aos jogos, atraves de uma capturacao mais
completa dos movimentos, possibilitando que um movimento do jogo fosse influenciado
diretamente pela forca e pela precisao do jogador. Outra boa aplicacao do giroscopio
esta no GPS, ao se juntar um giroscopio com o acelerometro que ja esta incluso em qual-
quer GPS, pode-se verificar exatamente onde o veıculo esta indo. Desta forma, foi criada
a funcao do piloto automatico, que gracas as informacoes dadas sobre a localizacao do
veıculo, ele pode tracar a melhor rota e seguir a viagem.
2.4.2 Aplicabilidade no projeto
O modelo de giroscopio utilizado no projeto sera o IDG6005, que possui eixo
duplo, com sensores de velocidade angular e de vibracao, que detectam a velocidade de
rotacao do eixo X e do eixo Y. Este modelo e desenhado principalmente para os contro-
ladores de videogames e controles remotos, objetos que exigem sensores de movimento
dinamico, resistencia a grandes choques, possuir um tamanho pequeno e baixo custo. Ele
usa tecnologia MEMS proprietaria e patenteada. O giroscopio nao tera tanta utilidade no
projeto como o acelerometro, como foi citado anteriormente, o giroscopio ao ser acoplado
a um acelerometro, ele torna as informacoes obtidas mais precisas, com o giroscopio ligado
ao acelerometro, poderemos obter informacoes no software em qual posicao o Quadricop-
tero estara voando, verificar informacoes a respeito da rotacao dos motores, e verificar
se o Quadricoptero esta apontando para a direcao correta. Em relacao a posicao pre-
cisa do Quadricoptero, a princıpio as informacoes dadas pelo giroscopio nao serao muito
uteis, pois o grupo nao pretende fazer grandes voos com o Quadricoptero ate o final deste
perıodo, porem caso o trabalho seja continuado e melhorado para fazer voos longos, o
giroscopio tera uma importancia muito maior.
5Datasheet encontrado em: http://www.datasheetarchive.com/IDG%20600-datasheet.html
21
Figura 9: Giroscopio usado no projeto
Fonte: http://radio-commande.com/wp-content/uploads/2010/05/WMP1.jpg
2.5 Arduıno
O Arduıno e uma plataforma “open-source” de desenvolvimento, criada com o
objetivo de oferecer uma comunicacao facil entre usuario e hardware. Ele tem diversas
funcoes, podendo receber informacoes de sensores, controlar luzes, motores, pode ser uti-
lizado em experimentos de circuitos digitais, entre diversas aplicacoes6. Este microcontro-
lador e programado usando a linguagem de programacao e o ambiente de desenvolvimento
Arduıno, uma linguagem muito parecida com C e muito amigavel, tornando possıvel ate
mesmo quem nao e do ramo da programacao poder usar sem maiores problemas. Por ser
um software livre, o Arduıno pode ser executado em qualquer sistema operacional, o que
lhe torna ainda mais util, pois nao e preciso mudar de sistema operacional para usa-lo.
Outro fator muito util do Arduıno neste projeto sao suas saıdas, pois alguns componentes
precisam de 3.3 V e outros de 5 V. Este modelo de Arduıno vem com um cabo USB para
trocar informacoes com o computador.
6Informacoes retiradas de: http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno
22
2.5.1 Aplicabilidade no Projeto
O Arduıno sera o cerebro por tras deste projeto, sera em sua interface que o
grupo ira implementar o programa que controlara a estabilidade do Quadricoptero, e sera
do Arduıno os sinais PWM que acionara os motores e a alimentacao do Acelerometro e
do Giroscopio. O Arduıno sera alimentado pela bateria enquanto estiver no ar.
O modelo usado neste projeto e o “Uno”, seu micro-controlador e o ATMega328,
ele possui quatorze entradas/saıdas digitais (sendo seis de PWM), seis entradas analogicas,
32Kb de Memoria Flash, 2 Kb de memoria RAM e 16 MHz de “Clock Speed”. Este modelo
foi escolhido devido ao seu custo acessıvel e por atender todas as necessidades do projeto.
Figura 10: Arduıno utilizado no projeto
Fonte: http://arduino.cc/enquploads/Main/ArduinoUno r2 front450px.jpg
2.6 Bateria
A bateria usada no projeto e do tipo polımero de ıon de lıtio, este modelo possui
uma densidade de carga maior que a das baterias de nıquel, oferecendo uma maior duracao
de carga e um peso menor, o que para o Quadricoptero e essencial. Entre outras vantagens
esta o fato de poder recarregar sempre que houver necessidade. A maioria das baterias
de polımero de ıon de lıtio usa uma carga rapida para carregar o seu equipamento a 80%
da capacidade da bateria e entao muda para carga lenta. Porem e bom lembrar que
estas baterias tem uma vida util, e tem um limite de recargas. Estes modelos de bateria
sao utilizadas pela Apple7, e vem demonstrando resultados muito convincentes para a
empresa.
7http://www.apple.com/br/batteries/
23
O grupo estima que com a bateria completa o Quadricoptero consiga se manter
no ar por alguns minutos, nao chegamos a fazer testes para poder afirmar por quanto
tempo a bateria suportou.
O modelo utilizado e o Turnigy 3000mAh, que possui um tensao de saıda de 11
V, que sera ligada em paralelo com os ESC’s para alimentar-los, e esta bateria tambem
alimentara o Arduıno.
Figura 11: Bateria utilizada no projeto
Fonte: http://www.hobbyking.com/hobbycity/store/catalog/T3000-3-20.jpg
24
3 Desenvolvimento do projeto
3.1 Desenvolvimento do Projeto
O desenvolvimento do projeto foi dividido em quatro partes: pesquisa teorica,
pesquisa pratica do funcionamento do motor e de seus controladores, pesquisa pratica
do funcionamento do giroscopio e do acelerometro e desenvolvimento do software para
integrar os dados dos sensores e dos motores de forma que o Quadricoptero possa levantar
voo e se estabilizar no ar. Este processo pratico, o mais importante do trabalho, foi
atrasado devido a alguns problemas que tivemos com as compras (realizadas em sites
de fora do Brasil cujo tivemos problemas com o cartao de credito) e devido a greve dos
Correios que ocorreu no segundo semestre deste ano. Ate a entrega desta monografia
apenas a primeira parte pratica do projeto foi concluıda. Com o tempo que ainda falta
para terminar a disciplina, pretendemos nos aprofundar no entendimento dos componentes
faltantes para finalizar o projeto.
Como foi dito anteriormente, a parte fısica do projeto foi baseada no projeto
MultiWii, assim que decidimos qual projeto irıamos usar de base, fizemos a encomenda
dos componentes ja citados anteriormente e iniciamos as pesquisas no campo teorico sobre
o funcionamento dos mesmos. Antes mesmo dos equipamentos chegarem, ja havıamos
definido a forma como eles seriam conectados e utilizados, como podera ser visto no
diagrama de blocos na figura 12
25
Figura 12: Diagrama de Blocos
Fonte: Autoria Propria
Definimos tambem como seria a ligacao entre os componentes eletronicos, como
demonstraremos no topico a seguir.
3.2 Montagem dos componentes
1. Primeiramente conectaremos os componentes que utilizaremos a partir dos que fo-
ram retirados controles do Nintendo Wii (estes foram escolhidos, pois sao opcoes de
facil utilizacao e faceis de encontrar no mercado). Para utilizar o giroscopio e o ace-
lerometro dos controles do Nintendo Wii abriremos os dispositivos e conectaremos
seus componentes eletronicos para trabalhar, em paralelo, da forma apresentada na
figura abaixo. A orientacao dos equipamentos tem que ser como mostra a figura
abaixo, para as informacoes fornecidas pelo acelerometro e osciloscopio se comple-
mentarem e nao ficarem desconexas. A conexao citada no texto deve ser feito de
acordo com a figura 13
26
Figura 13: Montagem dos componentes
Fonte: http://www.multiwii.com/connecting-elements
2. Em seguida conectaremos o Arduıno aos ESC’s e ao Giroscopio. Tambem conecta-
remos a fonte de alimentacao (bateria) a estes elementos e aos motores como mostra
a figura 14
27
Figura 14: Montagem dos componentes II
Fonte: http://www.multiwii.com/connecting-elements
3. Outra informacao importante para a montagem do equipamento e a posicao das
helices, pois para conseguirmos a sustentacao necessaria para movimentarmos o
Quadricoptero os motores tem que praticar uma forca para o lado certo (esta e uma
das areas de estudo deste trabalho). Pelas pesquisas iniciais o Quadricoptero devera
ser posicionado da mesma forma que a figura 15, os motores de lados opostos tem
que ser instalados de forma que um rotacione para o lado oposto ao outro, porem
isto nao e definitivo pois apenas os testes praticos podem nos mostrar qual a melhor
opcao.
28
Figura 15: Funcionamento das helices
Fonte: http://www.multiwii.com/connecting-elements
4. Seguir as seguintes etapas apos realizar todos os itens anteriores:
• Realizar testes com os sensores (giroscopio e acelerometro), com o Arduıno e
com os motores e seus controladores, para entender melhor seu funcionamento;
• Estudar os dados fornecidos pelos sensores e a potencia dos motores de acordo
com a necessidade para o Quadricoptero se tornar estavel no ar;
• Determinar uma estrutura ideal para utilizar com os elementos do Quadricop-
tero e monta-la da maneira que for melhor ao grupo;
• Desenvolver um software na linguagem Arduıno para que o projeto se mantenha
no ar, utilizando todos os itens anteriores.
29
4 Referencias Bibliograficas
1. ORSAG,M.; POROPAT,M.; BOGDAN,S. Hybrid Fly-by-Wire Quadrotor Con-
troller - Faculty of Electrical Engineering and Computing, University of Zagred.
2010;
2. POUNDS,P.; MAHONY,R.; CORKE,P. Modelling and Control of a Quad-
Rotor Robot - Australian National University. 2009;
3. POUNDS,P.; MAHONY,R.; CORKE,P. Towards Dynamically-Favourable Quad-
Rotor Aerial Robots - Australian National University. 2009;
4. VALENTI,M.; SCHOUWENAARSY,T.; KUWATAZ,Y.; FERONX,E.; HOW,J. Im-
plementation of a Manned Vehicle - UAV Mission System - Massachusetts
Institute of Technology. 2004;
5. GAMAZO,J.; VAZQUEZ,E.; GOMES,J. Position and Speed Control of Brush-
less DC Motors Using Sensorless Techniques and Application Trends - De-
partment of Signal Theory, Communications and Telematic Engineering, University
of Valladolid. 2010
6. VALENTI,M.J. Approximate Dynamic Programming with Applications in
Multi-Agent Systems - Massachusetts Institute of Technology. 2007.
7. SIKIRIC,V. Control of Quadrocopter - School of Electrical EngineeringRoyal
Institute of Technology. 2008
8. CELESTE,W.C. Montagem e Teste de Inclinometros Microprocessadores
Utilizando Acelerometros Baseados em Tecnologia MEMS - Universidade
Federal do Espirıto Santo, Vitoria. 2002;
9. FOUR,R.; RAMOUTAR,E.; ROMEO,J.; COPELAND,B. Operational Charac-
teristics of Brushless DC Motors - University of the West Indies, St.Augustine,
Trinidad. 2007;
10. http://www.allaboutcircuits.com/vol 2/chpt 13/6.html - Acessado em: 08/11/2011;
11. OLIVEIRA,F.F. Controle de Velocidade de Motor Brushless DC - Universi-
dade Luterana do Brasil, Canoas. 2008;
30
12. ANALOG DEVICES. Datasheet do Acelerometro ADXL330 - Disponıvel em:
http://www.analog.com/static/imported-files/data sheets/ADXL330.pdf;
13. FIGUEIREDO,L.J.; GAFANIZ,A.R. Aplicacoes de Acelerometros - Instituto
Superior Tecnico, Lisboa,Portugal. 2007;
14. SEARA Espaco Cientıfico da Universidade Federal do Ceara - Disponıvel
em: http://www.seara.ufc.br/ - Acessado em: 08/11/2011
15. ORSAG,M.; POROPAT,M.; BOGDAN,S. Hybrid Fly-by-Wire Quadrotor Con-
troller - Faculty of Electrical Engineering and Computing, University of Zagred.
2010
16. http://www.math.niu.edu/ behr/RC/pwm.html - Acessado em: 10/11/2011;
17. http://homepages.which.net/ paul.hills/SpeedControl/SpeedControllersBody.html
- Acessado em 15/11/2011;
18. APPLE; Fabricante de aparelhos tecnologicos - Disponıvel em: http://www.apple.com
- Acessado em 10/11/2011;
19. ALVES,A.B. Sistema de Afericao de Inclinacao em Veıculos Off-Road -
Centro Universitario Positivo, Curitiba. 2006;
20. http://ciencia.hsw.uol.com.br/giroscopios.htm - Acessado em: 09/11/11;
21. http://www.ufrgs.br/museudetopografia/Artigos/Giroscopio.pdf - Aces-
sado em: 15/11/11;
22. STMicroelectronics. Fabricante de componentes eletronicos - Disponıvel em:
http://www.st.com/internet/com/home/home.jsp - Acessado em: 15/11/11;
31
A APS
10/08 Tivemos uma palestra com o profo Hugo sobre sensores e uma conversa geral sobre
como seria o andamento da disciplina de Oficinas, neste mesmo dia formamos o
grupo e decidimos fazer um quadricoptero, tendo como principal objetivo fazer ele
voar e estabilizar no ar.
12/08 Nos comunicamos via e-mail e por mensageiros instantaneos e trocamos algumas
ideias sobre como fazer o quadricoptero e se basear em alguns projetos feitos na
internet.
17/08 Conversamos com o profo Mario sobre um possıvel orientador e encontramos alguns
projetos na internet, e elaboramos uma primeira lista de compras.
23/08 Fizemos uma reuniao e bolamos como seria a proposta do nosso projeto e con-
versamos com o professor Giuliano, que aceitou ser nosso orientador. Neste dia
encontramos uma placa que serviria para controlar o quadricoptero e ja vinha com
tres giroscopios, porem nao havia saıda USB e interface de programacao
24/08 Apresentamos nossa proposta aos professores e aos colegas.
26/08 Mudamos de ideia quanto a placa citada anteriormente, e optamos por usar um
Arduıno e controles do Wii (para usar seu acelerometro e giroscopio). Este projeto
cujo estamos nos baseando se chama MultiWii. E por fim definimos a lista definitiva
de compras:
– 4 motores brushless;
– 4 esc’s;
– 1 bateria de 11 volts;
– 1 kit com 5 helices (1 de reserva);
– 1 controle Nunchuk do Nintendo Wii;
– 1 controle Motion Plus do Nintendo Wii;
Os custos ficaram em aproximadamente 300 reais com o frete e dividimos entre os
tres membros do grupo.
32
31/08 Fizemos pesquisas de Arduıno na internet e no centro, por enquanto optamos por
comprar o Arduıno Uno, e estamos procurando um material para a carcaca do
Quadricoptero.
07/09 Tivemos problemas com duas das tres compras dos materiais necessarios para o
Quadricoptero, nossas compras foram canceladas pois tivemos problema com o site
da HobbyKing. Tambem tivemos problema na compra do Arduıno, o vendedor teve
sua conta cancelada e assim estamos procurando outro vendedor. Entramos em
contato com a HobbyKing neste mesmo dia para solucionar os problemas com as
compras, e eles nos deram o prazo de tres dias uteis para responder.
13/09 Achamos um vendedor de Arduıno, porem ele nao tinha no estoque.
14/09 As compras foram finalizadas com sucesso, e previsao de chegada de 30 dias uteis,
o grupo ficou preocupado pois nestes dias esta acontecendo a greve dos correios,
o que ira atrasar a entrega dos produtos. Comecamos entao a nos dedicar com
exclusividade a teoria do projeto.
21/09 Os professores explicaram como temos que fazer a Qualificacao, o grupo se reuniu
e dividiu a organizacao da mesma.
27/09 Chegaram os controles do Wii
04/10 Chegaram tres motores e compramos o Arduıno.
12/10 O grupo esta preocupado com a demora das pecas, e continua seu estudo teorico
nao podendo fazer os testes corretos devido a ausencia das pecas. Neste mesmo dia
os professores da disciplina nos chamaram atencao quanto aos erros que cometemos
na Qualificacao, e nos mandou refazer.
19/10 Ao conseguirmos as chaves para desmontar os controles do Wii, notamos uma di-
ferenca do modelo que estava no esquematico que conseguimos do modelo que nos
temos, pedimos ajuda do prof Hugo para reconhecer os fios corretos do giroscopio
para fazer a conexao no Arduıno.
02/11 O grupo ficou um tempo inativo pois estavamos em semana de provas, e hoje nos
reunimos na casa do Gerson ja com os ESC’s em maos. Fizemos as soldagens dos
33
ESC’s, do acelerometro e do giroscopio. Porem o grupo teve dificuldades para achar
os datasheets dos componentes, e nao conseguiu faze-los se comunicarem entre si.
04/11 As pecas finalmente chegaram, e o grupo pode continuar seu estudo e comecar a
preparacao da monografia.
09/11 Conseguimos fazer o ESC e o motor se comunicarem, mandamos sinal PWM do
Arduıno, com duty-cicle de 50Recebemos muitos conselhos dos professores em relacao
a forma que estavamos conduzindo a disciplina, e o grupo decidiu mudar de postura
e comecar a se embasar em fontes seguras de informacao.
15/11 O grupo se reuniu para terminar de escrever a monografia.
