CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA CEFET/MG Campus V
Álan Crístoffer Gabriel Cabral Rafael Alexander Rafael Cabral Ronaldo Tavares
Relatório final de Introdução à Prática Experimental: Quadricóptero
Álan Crístoffer Gabriel Cabral Rafael Alexander Rafael Cabral Ronaldo Tavares
Relatório final de Introdução à Prática Experimental: Quadricóptero
Relatório técnico apresentado ao final do projeto de Introdução à Prática Experimental com o intuito de expor o desenvolvimento e funcionamento de um quadricóptero. Prof. Renato de Sousa Dâmaso
RESUMO
Este trabalho documenta a montagem e programação de um quadricóptero e explica seu princípio de funcionamento.
Palavras-chave: quadricóptero, controle, aeromodelismo
ABSTRACT
This report documents the assembly and programming of a quadcopter and explain it’s working principles.
Keywords: quadcopter, control, aeromodelling
Sumário 1 INTRODUÇÃO ........................................................................................ 6 2 DESENVOLVIMENTO ............................................................................. 7 2.1 OBJETIVO GERAL ........................................................................... 7 2.1.1
Objetivos específicos ................................................................. 8
2.2 COMPONENTES .............................................................................. 8 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.2.6 2.2.7 2.2.8
Motores brushless ...................................................................... 8 ESCs.......................................................................................... 9 Giroscópio/Acelerômetro .......................................................... 11 Radio/Wireless Transceiver ...................................................... 13 Hélices ..................................................................................... 13 Bateria...................................................................................... 15 Frame....................................................................................... 15 Arduino / ATMega328P-PU ...................................................... 15
2.3 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS ........................................... 15
3 RESULTADOS ...................................................................................... 26 4 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ................................................ 26 5 REFERÊNCIAS ..................................................................................... 27
Lista de Imagens FIGURA 2.1 LIGAÇÕES STAR E DELTA ..................................................................................................................................... 9 FIGURA 2.2 COMPARAÇÃO PPM E PWM............................................................................................................................ 10 FIGURA 2.3 LIGAÇÃO DO ESC EM UM ARDUINO ................................................................................................................. 10 FIGURA 2.4 DEMONSTRAÇÃO DE ROLL, PITCH E YAW................................................................................................. 11 FIGURA 2.5 DEMONSTRAÇÃO DE SWAY, SURGE E HEAVE.......................................................................................... 12 FIGURA 2.6 SENTIDO DE ROTAÇÃO DOS MOTORES ............................................................................................................. 14 FIGURA 2.7 HÉLICES DE SENTIDO HORÁRIO E ANTI-HORÁRIO ......................................................................................... 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 HÉLICES MONTADOS ........................................................................................................ 20 FIGURA 2.13 COMPONENTES MECÂNICOS MONTADOS ...................................................................................................... 20 FIGURA 2.14 FIOS DE ALIMENTAÇÃO DOS ESCS SOLDADOS NO CENTRO DO FRAME .................................................... 22 FIGURA 2.15 LIGAÇÃO DO ARDUINO NA PROTOBOARD PARA GRAVAÇÃO 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 RELAÇÃO DE MATERIAIS ..................................................................................................................................... 7
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1 INTRODUÇÃO Quadricópteros são multirotores compostos por 4 motores dispostos em duas hastes perpendiculares, estando um em cada extremidade. Seu desenvolvimento e uso está 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, aquisição de imagens, etc. Hoje em dia o tipo de quadricóptero mais utilizado é o não tripulado (drone), que possui tamanho reduzido e é capaz de executar manobras rápidas, bem como voar ao ar livre ou dentro de construções. Devido à sua fácil montagem e controle, o quadricóptero é o tipo mais comum de multirotor. Ele se utiliza de um giroscópio/acelerômetro para calcular a velocidade dos motores, de forma a permitir o voo estável do equipamento. Para navegação pode ser utilizado um modulo de radio, onde se recebe comandos de direção, ou um módulo GPS ou similar, que permite que o quadricóptero se desloque em um caminho previamente especificado. Embora seja considerado de fácil montagem e controle, vários campos estão envolvidos durante sua montagem, como Mecânica, Elétrica, Eletrônica, Programação, Matemática, Controle e Física. Como pode-se perceber, envolve todas as áreas da Mecatrônica, além de outr as.
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2 DESENVOLVIMENTO Foi desenvolvido um quadricóptero utilizando peças mecânicas e elétricas encontradas no mercado tão quanto de confecção própria. A Tabela 2.1 mostra a relação de materiais gastos no projeto.
Tabela 2.1 Relação de materiais Material Turnigy Aerodrive SK3 - 2822-1275 Brushless Outrunner Motor Turnigy nano-tech 1300mah 3S 25~50C Lipo Pack Turnigy Plush 18amp Speed Controller F330 Glass Fiber Mini Quadcopter Frame 330mm APC style propeller 8x4-E nRF24L01 2.4GHz Radio/Wireless Transceiver GY-512 (giroscópio/acelerômetro) Resistências (10KΩ) Capacitores (10uF) LM7805 (Regulador de Tensão 5V) LM7833 (Regulador de Tensão 3,3V) Módulo Conversor Usb 2.0 Para Rs232 TTL Placa de fenolite ATMega328P-PU
Quantidade 4 1 4 1 4 2 1 4 2 1 1 1 2 2
O quadricóptero utiliza de 4 motores com hélices giratórias, controlados por ESCs (Eletronic Speed Controller – Controlador eletrônico de velocidade), que são por sua vez controlados pelo módulo controlador. Este se comunica com um controle remoto para receber instruções de operação. Para a montagem foram utilizados ESCs, motores, hélices e um frame comercial, e foram montados o controlador e o controle remoto responsável por controlar os ESCs.
2.1 OBJETIVO GERAL Desenvolver um quadricóptero capaz de levantar voo e manter altitude.
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2.1.1 Objetivos específicos Estudar o funcionamento básico de um quadricóptero. Providenciar os componentes necessários. Testar o funcionamento dos componentes. Implementar software controlador capaz de controlar os motores com o intuito de manter o quadricóptero estável no ar.
2.2 COMPONENTES 2.2.1 Motores b r u s h l e s s O motor brushless (motor sem escova) é muito parecido com os motores elétricos com escova em sua parte mecânica, entretanto não possui contato mecânico entre o rotor e o estator, e possui também um imã em sua parte externa que gira em torno de seu próprio eixo, girando assim o rotor. As vantagens deste tipo de motor são:
Alta potência Alto torque Baixa inércia Tamanho reduzido Peso reduzido Alta eficiência Longa vida útil Não acumula poeira ou faíscas Baixo ruído Baixa resistência térmica Alcança até 80.000 rpm
Estes motores trabalham com corrente continua. A tensão e corrente necessárias variam de acordo com o modelo. Seu acionamento é feito através de 3 fios que estão ligados às bobinas. Existem duas formas de ligações com finalidades específicas: Star (estrela), que tem menor consumo, e Delta, que possui maior força. A Figura 2.1 mostra ambas ligações.
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Figura 2.1 Ligações Star e Delta Fonte: http://mfreitas.por.ulusiada.pt/brushless.jpg Estes motores são diferentes dos motores convencionais por possuir suas bobinas fixas na estrutura externa do motor, que gira, e não no eixo. Também se diferem por possuírem 3 fios de controle, e não 2 como a maioria dos motores elétricos. O acionamento e controle destes motores é complicado e normalmente utiliza-se de equipamentos específicos para facilitar o controle. No caso deste projeto foi utilizado o ESC .
2.2.2 E S C s O ESC (Eletronic Speed Controller – Controlador Eletrônico de Velocidade) é responsável por ativar e desativar bobinas do motor de forma a controlar a velocidade de rotação do mesmo. Este equipamento possui 5 entradas e 3 saídas: VCC e GND vindos da fonte de energia, VCC, GND e PPM ( Pulse Position Modulation) vindos do controlador. As 3 saídas são conectadas ao motor. PPM é um pulso onde o dado transmitido varia de acordo com a posição do pulso alto, e não sua largura, como é o caso do PWM ( Pulse Width Modulation). Este é o tipo de onda que se obtém quando se decodifica ondas de rádio e é também utilizada por cabos AV (Audio – Video), como os utilizados para ligar aparelhos DVD a televisores. Uma comparação entre as ondas PWM e PPM é representada na Figura 2.2. Divinópolis 2014
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Figura 2.2 Comparação PPM e PWM
Fonte: http://blog.oscarliang.net/wp-content/uploads/2013/11/pwm-ppmsignal-example.jpg
A Figura 2.3 indica uma maneira de ligar um ESC em um Arduino. Note que o ESC utilizado neste projeto não tem especificações similares ao descrito na imagem, porém o ESC deve ser escolhido de acordo com o motor utilizado e a fonte de energia disponível. Como escolher os componentes será descrito na Subseção 2.3.
Figura 2.3 Ligação do ESC em um Arduino
Fonte: http://robotic-controls.com/sites/default/files/images/esc_bb1.png
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2.2.3 Giroscópio/Acelerômetro Giroscópio e acelerômetro são responsáveis por determinar a orientação do corpo ao qual estão acoplados no espaço. Juntos permitem o controle com 4 graus de liberdade. Grau de liberdade, na mecânica, é o numero de parâmetros independentes que definem a configuração de um sistema. Um aeromodelo tem 3 graus de liberdade de rotação e 3 de translação. Os 3 de rotação são roll (rolar), pitch (arfar) e yaw (guinar) (ver Figura 2.4). Os 3 de translação são heave (elevar), sway (balançar) e surge (ondular) (ver Erro! Fonte de referência não encontrada.Figura 2.5).
Figura 2.4 Demonstração de ROLL, PITCH e YAW Fonte: http://o.lnwfile.com/_/o/_raw/zr/5s/9m.jpg
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Figura 2.5 Demonstração 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 são controláveis, nomeadamente roll , pitch, yaw e thrust (impulso). Thrust permite ao aeromodelo se propulsionar na mesma direção que suas hélices. Controlando estes quatro graus de liberdade o quadricóptero é capaz de se movimentar precisamente em um espaço tridimensional. Giroscópio é um instrumento capaz de medir a aceleração angular. Com isso é possível descobrir a velocidade e deslocamento angular do mesmo, tornando possível manter controle dos ângulos de yaw , pitch e roll . Acelerômetro é um instrumento capaz de medir a aceleração 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 medição (WOODMAN, 2007). O acelerômetro sofre interferência da força gravitacional. O giroscópio acumula erros rapidamente, sendo confiável apenas nos primeiros poucos segundos de funcionamento. Para corrigir este problema são aplicados cálculos que permitem diminuir drasticamente os erros um do outro sem perder precisão. O método mais usado é o Filtro de Kalman, também conhecido como estimativa quadrática linear . Após a correção é possível obter medições precisas e confiáveis, que podem ser utilizadas para acompanhar o deslocamento e orientação da aeronave. O GY-512, modelo utilizado no projeto, é baseado no chip MPU-6050 que possui um giroscópio e um acelerômetro, além de uma unidade 12
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aritmética dedicada conhecida como DMP (Digital Motion Processor ), que faz vários cálculos relativos a movimento, como, por exemplo, aplicar o Filtro de Kalman. Embora de grande utilidade é de difícil uso, devido à pouca documentação. 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 através de engenharia reversa. ™
™
2.2.4 Radio/ W i r e l e s s T r a n s c e i v e r Unidades de radio são utilizadas para permitir a comunicação sem fio entre o circuito controlador (embarcado) e um controlador remoto, que diz ao primeiro quais operações devem ser executadas. Neste projeto tanto o circuito controlador quanto o circuito do controle remoto foram confeccionados pelos autores. Para permitir a comunicação entre ambos foram utilizados dois módulos nRF24L01 2.4GHz Radio/Wireless Transceiver , pelo seu baixo custo e alcance razoável. Este módulo possui bibliotecas fáceis de serem utilizadas, necessita de baixa tensão (3,3V) e consome pouca corrente. Toda informação relacionada ao uso deste modulo foi retirada do endereço eletrônico
http://arduino-info.wikispaces.com/Nrf24L01-2.4GHz-HowTo
2.2.5 Hélices As hélices de um quadricóptero devem ser analisadas com cuidado, já que não são totalmente convencionais. Para estabilizar o quadricóptero, 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 não seja obedecido, o quadricóptero não se estabiliza e executa um movimento yaw descontrolado. Por este motivo, as hélices devem ser duas de sentido anti-horário (as mais utilizadas, comuns em helicópteros e aviões) e duas de sentido horário, que são difíceis de encontrar no Brasil. As hélices de sentido horário também são conhecidas, em inglês, como pushers. Embora pareça lógico que inverter uma hélice anti-horária faz dela uma hélice de sentido horário, isto não ocorre. A forma como é feito o pitch da hélice (a torção em torno de seu eixo longitudinal) faz com que a inversão mude apenas o sentido em que o vento é puxado e repelido. O normal (e desejado) é que o vento seja empurrado no sentido hélice-motor. Para conseguir esse efeito quando o motor gira em sentido horário é indispensável o uso de hélice própria. (Garantia e Informações de Segurança, 2013) 1
https://github.com/jrowberg/i2cdevlib
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Figura 2.6 Sentido de rotação dos motores Fonte: http://www.cathalcoffey.ie/assets/projects/quadcopter/quad_rotations.png
A Figura 2.7 permite observar a diferença entre os dois tipos de hélice. Atente para o fato que inverter uma hélice não a faz igual a outra (da forma como estão na imagem, ambas tem as pás com concavidade para baixo).
Figura 2.7 Hélices de sentido horário e anti-horário
Fonte: http://static.rcgroups.net/forums/attachments/1/4/0/5/4/1/a4657520-63ccwtractor-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 são as de polímero de íon de lítio.
2.2.7 Frame O Frame deve ser o mais leve e resistente, enquanto capaz de absorver vibração. Atualmente os materiais mais utilizados são fibra de vidro e fibra de carbono.
2.2.8 Arduino / ATMega328P-PU Arduino é uma plataforma de computação física baseada numa placa com um microcontrolador, bem como um software para programar a placa. ATMega328P-PU é o microcontrolador utilizado na placa Arduino modelo UNO. Neste projeto ambos serão utilizados, porém será feito o boardbreak do microcontrolador, de forma que o software rodando seja código Arduino (bootloader e bibliotecas compatíveis) e que o mesmo seja posto em um circuito próprio, fabricado pelos autores, aproveitando assim a facilidade de programação e vasta coleção de bibliotecas disponíveis para o Arduino e o baixo custo do ATMega. É também um ótima oportunidade para aprender mais sobre o uso de microcontroladores e alguns componentes eletrônicos.
2.3 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS Inicialmente foi feita uma pesquisa na internet para definir quais materiais seriam necessários para construir um quadricóptero. Esta pesquisa inicial mostrou que o quadricóptero é normalmente comprado já montado, porém havia a possibilidade de comprar as peças separadamente. As peças são disponibilizadas separadamente com a finalidade de reposição. A variedade de peças é abundante, porém não no Brasil. Não foram encontrados vendedores no Brasil que praticassem preços justos, e mesmo os encontrados não tinham muitas unidades. Foi descoberto que todos os vendedores encontrados importavam suas peças e revendiam. Com esta informação foi feita uma busca que revelou que a principal marca neste setor é a Turnigy , e a principal loja a Hobby King , que exporta para todo o mundo. Todos os fóruns e blogs encontrados sempre indicavam ambas, por serem pioneiras.
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Acessando o catálogo da Hobby King , foi descoberto que não existe um padrão de conexões e encaixes para as peças que compõem o quadricóptero, e que isso deveria ser observado durante a compra. O site da loja tem uma função que auxilia neste trabalho, que é a indicação das peças necessárias para montar o aeromodelo dada uma determinada peça. Este recurso foi utilizado para fazer um levantamento inicial de possibilidades. O uso de termos e abreviações desconhecidos pelos autores causou dificuldades em decidir o que comprar. Houve dificuldade em averiguar se a bateria, motores e ESC s realmente poderiam ser utilizados em conjunto, ou se o site indicou algo errado. Após pesquisa (Garantia e Informações de Segurança, 2013) foi esclarecido que: Na bateria: Um número seguido de um “S” (p.ex.: 2S, 3S, 4S, etc) indica o o número de células da bateria. o Um número seguido de um “C” (p.ex.: 20C, 30C, etc) indica
a carga da bateria. Este “C” no entanto não está relacionado com Coulombs . Trata-se de um índice.
Para descobrir o tempo de voo médio 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: Um número seguido de um “A”. Trata-se da corrente máxima o suportada pelo equipamento (em amperes). Este número deve ser maior que a soma da corrente máxima consumida por cada motor. o
Foram então comprados as Hélices, ESC s, motores, bateria e frame listados na Tabela 2.1. Mais tarde foi descoberto que as hélices escolhidas não são as corretas: eram todas hélices de sentido anti-horário. O site indicou estas hélices pois os motores Aerodrive SK3 são híbridos e servem tanto para quadricópteros quanto para helicópteros e aviões. No momento da compra os autores não tinham conhecimento da necessidade de hélices especiais e confiaram no site. A estimativa de entrega das peças era de um mês, mas levou dois meses, pois o pacote ficou retido na alfândega brasileira por um mês. Durante o tempo de espera foram comprados os módulos de rádio e giroscópio/acelerômetro da loja Eletrogate2 , em Belo Horizonte, que foram imediatamente testados. 2
http://www.eletrogate.com
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O módulo GY-512 (Figura 2.8) é um circuito que utiliza o chip MPU6050 e providencia algumas facilidades, como um regulador de tensão 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 módulo DMP é capaz de fornecer ângulos de Euler, unity quaternion e ângulos ZXY ( roll, pitch, yaw ) corrigidos, bem como vetor aceleração e gravidade. Para este projeto foi escolhido os ângulos ZXY por sua possível facilidade de extração de informação para estabilizar o quadricóptero. Ângulos de Euler foram evitados por possuírem muita ambiguidade (SICILIANO e SCIAVICCO, 2005) e o quaternion, embora o mais indicado por não possuir ambiguidade, é composto por muitos elementos e apresentaria uma curva de aprendizado muito grande, aparentemente desnecessária para o objetivo do trabalho. Durante o teste o GY-512 foi ligado a um Arduino, e controlava um motor elétrico de 12V, encontrado em um leitor de CD, aumentando sua velocidade conforme sua inclinação no eixo Y aumentava. A Figura 2.10 é um quadro do vídeo 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 vídeo Teste das placas WiFi.mp4. A Figura 2.11 exibe um frame deste vídeo.
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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 Não foram encontradas dificuldades na montagem do frame já que este possuía manual de instruções, 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 é prendendo sua parte superior no frame, porém foi observado que os fios teriam que girar em torno do eixo caso fossem fixados dessa forma. Após analisar imagens e vídeos de motores parecidos montados foi observado que sua carcaça 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 fixação das hélices também gerou confusão, já que estas são feitas para vários modelos de motores, possuindo assim furo de diâmetro muito menor que o diâmetro do eixo do motor. Foi necessário alargar o furo para que elas se encaixassem no motor, e usar um adaptador para fixar a mesma sem folgas, de forma a evitar vibrações. Embora estranho esta é a forma correta de manusear as hélices. Sobraram muitos parafusos, porcas e arruelas da montagem. Isto também é normal, as peças que sobram são utilizadas em outros tipos de montagens. A Figura 2.12 mostra o motor fixado no frame já com a hélice. A Figura 2.13 mostra todos os componentes mecânicos montados.
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Figura 2.12 Frame, motor e hélices montados
Figura 2.13 Componentes mecânicos montados
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Após montada a parte mecânica foram iniciados os trabalhos na parte elétrica. Primeiramente foi necessário descobrir como ligar os ESC s nos motores e como aciona-los utilizando o Arduino. O modelo de ESC comprado não possui conectores em seus fios, nem para bateria, nem para os motores. Após algumas considerações foi decidido soldar os fios do ESC nos motores, mesmo estes tendo conectores machos. Isso, no entanto, não foi feito antes de todos os testes terem sidos concluídos. Durante os testes os fios foram presos usando fita isolante. Isso se mostrou extremamente ineficiente, já que assim os fios não mantinham grande área de contato. Isso fez com que a corrente fosse reduzida, permitindo que os ESC s fossem acionados e configurados, mas não permitindo que os motores girassem. A configuração dos ESC s chamou a atenção dos autores por sua interface incomum. O menu é apresentado na forma de sinais sonoros, sendo que beeps de duração, espaçamento e intensidades diferentes são opções diferentes do menu. A forma como o ESC gera estes sons também é curiosa: ele utiliza as bobinas dos motores para gerar beeps variados. Para configurar os ESCs foi necessário utilizar sua interface de comunicação PPM . Isso foi facilmente feito com o Arduino usando a biblioteca padrão Servo. Para utilizá-lo é necessário primeiramente calibra-lo. Isso foi feito seguindo as instruções do manual, que manda iniciar o módulo enviando a valor que representará o total, aguardar um tom de confirmação e então enviar o sinal que será tratado como baixo. Esta operação só precisa ser feita uma vez. Após a realização dos testes, tendo-se certeza de como ligar e acionar o componente, foi feita a solda. Os ESC s foram fixados em suas posições utilizando presilhas de plástico, e seus fios foram soldados aos conectores dos motores. Como é necessário que os motores girem em sentidos diferentes, os ESC s de uma haste tiveram seus fios soldados diretamente aos fios dos motores, enquanto os da outra haste tiveram dois fios trocados. Esta inversão de fios é responsável pela inversão de sentido de rotação do motor. Os negativos dos ESC s foram todos soldados juntos, no meio do frame. O mesmo foi feito com os positivos (Figura 2.14). Fios de 1,5mm de diâmetro foram soldados junto aos negativos e positivos para conectar estes ao circuito de controle, que provê a alimentação. Foi feito o primeiro teste acionando os quatro motores de uma vez. Foi possível observar a força destes motores. Os motores foram ligados com velocidade de 25%, aumentando para 50%, 75% e 100%. Em 100% os motores tinham muita força, mas estavam presos, o que os fez
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forçar o frame que começou a trepidar violentamente, desconectando a bateria. Testes com velocidades menores foram gravados e podem ser vistos nos arquivos de vídeo Teste 1.mp4, Teste 2.mp4 e Teste 3.mp4.
Figura 2.14 Fios de alimentação dos ESCs soldados no centro do frame Foi também 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 não tenha sido feito, e fazendo o upload de seu software. 2. Utilizando uma protoboard conforme o esquema apresentado na Figura 2.15 (capacitores de 18µF a 22µF, resistência de 4.7 KΩ a 10KΩ e cristal de 16kHz). A primeira forma pode danificar o Arduino e não é recomendada.
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Figura 2.15 Ligação do Arduino na protoboard para gravação 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. Após selecionar a porta e modelo corretos no menu ferramentas, foi acionado o comando ferramentas>instalar bootloader . Ocorreram erros de comunicação entre o Arduino e o microcontrolador na protoboard . Após verificar que todos os fios estavam corretamente conectados e firmes e repetindo o processo a instalação finalizou com sucesso. O mesmo processo deve ser repetido para fazer upload de seu sketch, mas utilizando a opção upload com programador , do menu arquivo. Como a placa ficará no quadricóptero e será alimentada pela bateria, foi necessário adicionar um regulador de tensão para reduzir a tensão para 5V, conforme utilizado pelo microcontrolador e pelo GY-512. Foi necessário também um segundo regulador de tensão 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 saísse corretamente na placa. O que aconteceu. Isso fez com que fosse necessário que o cobre e os componentes ficassem do mesmo lado. O circuito foi levemente modificado e reimpresso, desta vez sem espelhamento. No entanto não foram postas trilhas para ligar os ESC s. O terceiro circuito foi particularmente difícil de ser terminado. Foram necessárias doze horas para conseguir fechar o circuito. Isso ocorreu pois 19 dos 28 pinos do microcontrolador foram utilizados, o que resultou em muitas Divinópolis 2014
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trilhas em sua volta, tornando extremamente difícil achar uma combinação de caminhos onde todos nenhuma trilha se sobrepusesse. Com isso foi aprendido que não se pode confiar no software para fazer todo o trabalho. Embora a função autoroute seja extremamente útil, ela não foi capaz de terminar o circuito, sendo necessária intervenção manual. A impressão foi feita em papel de revista de baixa qualidade. Embora existam papéis específicos para a transferência, este foi o que se mostrou mais eficiente. Após a impressão o papel foi cortado com o intuito de diminuir seu tamanho, ficando de dimensões bem próximas ao do circuito. Foi então 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. Após dez minutos aplicando leve pressão com o ferro de passar, o mesmo foi desligado e o circuito mergulhado em agua. Todo o papel foi removido e o circuito ficou visível, completamente transferido para o cobre. Foi utilizado cloreto de ferro para corroer o cobre em volta do circuito. O circuito ficou mergulhado na solução por aproximadamente meia hora. Após verificado a corrosão total, o mesmo foi lavado com água corrente. Foi utilizado um furador tipo grampeador para furar a placa nos locais onde seriam postos os componentes. Foi necessário o uso de uma furadeira elétrica para alargar alguns furos. Os componentes foram então colocados em seus lugares e soldados (Figura 2.16). A placa foi então posicionada (não fixada) no quadricóptero (Figura 2.17) e a bateria e ESC s foram ligados à 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, ESC s, motores e hélices que foram montados. Foi desenvolvida uma placa controladora, que também centraliza a alimentação de todo o circuito. Foi feito o boardbreak de dois ATMega328P-PU que são capaz de rodar software desenvolvido para Arduino sem necessitar da placa deste, podendo ser posto em circuito próprio. Foram iniciados os trabalhos no software controlador, utilizando a biblioteca Qt 3 para fornecer uma interface gráfica de controle do quadricóptero, bem como no circuito que serviria de interface entre o quadricóptero e o computador, no entanto o atraso da alfândega atrapalhou o cronograma planejado. O software só é capaz de identificar o Arduino na porta USB. A placa de interface não foi desenvolvida. O problema das hélices foi identificado após a confecção da placa controladora, quando foi percebido que havia algo errado, já que haviam hélices direcionando o ar para cima. Foram feitas tentativas de comprar hélices no Brasil, mas, como dito anteriormente, essas hélices são difíceis de encontrar. Um anunciante (plataforma Mercado Livre) da cidade de Cláudio mentiu ao dizer que havia as hélices procuradas, fazendo um membro do grupo de deslocar até lá, sem sucesso. Outro anunciante diz ter as hélices desejadas, porém reside em Ouro Preto. A comunicação com este só foi realizada através do anúncio, onde o dialogo é restrito por normas e termos de uso, e o mesmo demora a responder. Tentativas ainda estão sendo feitas de comprar as hélices dele.
4 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES Quadricópteros são máquinas relativamente baratas e muito complexas, e seu desenvolvimento envolve muitas áreas do conhecimento. É um ótimo objeto de estudo para qualquer engenheiro, principalmente o mecatrônico, e uma ótima oportunidade de trabalhar com todas as áreas que compõem esta. Todo o estudo é extremamente gratificante e a quantidade de conhecimento adquirido é imenso. É no entanto uma área nova e há muita dificuldade em encontrar, principalmente, peças, pois há poucos fornecedores e as necessidades são muito específicas, não possibilitando o uso de substitutos. Para quem quer iniciar um projeto como este, recomenda-se cautela ao escolher as peças e vendedores. Recomenda-se também a compra das peças separadas e um cuidado no envio: a bateria deve ser empacotada e enviada sozinha, pois é sempre taxada. Coloca-la junto com as outras peças pode aumentar o custo do projeto em até 100%. 3
http://qt-project.org
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