´ ´ UNIVERSIDADE TECNOLOGICA FEDERAL DO PARAN A ˜ ENGENHA ENG ENHARIA RIA DE COMPUTAC COM PUTAC ¸ AO
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
Monogr Monografia afia aprese apresent ntad adaa a` mat´ mat´eria eria de Oficina Oficina de Integ Integra¸ ra¸ c˜ cao a˜ o 2, no curs urso de En Enggenh enhari aria de Computa¸c˜ cao a˜o da Universidade Tecnol´ ogica ogica Federal do Paran´ a, como requisito parcial a` aprova¸c˜ a, cao a˜o na disciplina.
Orientador: Prof. Juliano Mour˜ ao ao Vieira
CURITIBA 2011
GERSON LUIS SILVA FILHO GUSTAVO TEIXEIRA RUDIGER JONATHAN PONTES MORAIS DO NASCIMENTO
QUADRICOPTERO
Monogr Monografia afia aprese apresent ntad adaa a` mat´ mat´eria eria de Oficina Oficina de Integ Integra¸ ra¸ c˜ cao a˜ o 2, no curs urso de En Enggenh enhari aria de Computa¸c˜ cao a˜o da Universidade Tecnol´ ogica ogica Federal do Paran´ a, como requisito parcial a` aprova¸c˜ a, cao a˜o na disciplina.
Orientador: Prof. Juliano Mour˜ ao ao Vieira
CURITIBA 2011
Resumo Este projeto consiste em desenvolver um dispositivo eletro-mecˆ anico anico capaz de se locomover locomover no sentido sentido vertical vertical e estabilizar-se estabilizar-se no ar. O objetivo do projeto ´e interligar interligar os dados apresentados pelos sensores eletrˆ onicos ao software de controle e estabilidade, de onicos forma que o artefato permane¸ca ca no ar por alguns instantes. A montagem do equipamento ser´a feita feita com base em algumas algumas experiˆ experiˆ encias encias encont encontrada radass pela nossa nossa pesquisa pesquisa,, e ser˜ ao utilizados quatro motores, quatro ESCs(Controladores Eletrˆ onicos de Velocidade), quatro onicos h´elices eli ces,, um aceler ace lerˆ ometro, oˆmetro, um girosc´opio opio e como c´erebro erebr o do projeto, pro jeto, um Ardu´ıno. ıno.
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
Acelerˆ ometro usado no projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
9
Girosc´opio usado no projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
10
Ardu´ıno 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 h´elices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Sum´ ario 1 Introdu¸ c˜ ao
7
1.1
Motiva¸ca˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
1.2
Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
1.2.1
Objetivo Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
1.2.2
Objetivos Espec´ıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
1.3
2 Fundamenta¸ca ˜o Te´ orica 2.1
Motor Brushless . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9 9
2.1.1
Como funcionam os motores brushless? . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.2
Motor utilizado no projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Eletronic Speed Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3
2.4
2.5
2.2.1
Como funciona o ESC? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.2
Aplicabilidade no Projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Acelerˆ ometro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.3.1
Acelerˆometro Capacitivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.2
Acelerˆometro Piezoel´etrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.3
Acelerˆometros Piezoresistivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.4
Acelerˆometro Eletro-Mecˆ anico (MEMS) . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.5
Exemplos de aplica¸ca˜o de acelerˆ ometros . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.6
Aplicabilidade no projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Girosc´opio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.4.1
Aplica¸c˜oes de Girosc´ opios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.2
Aplicabilidade no projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Ardu´ıno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.5.1
2.6
Aplicabilidade no Projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Bateria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3 Desenvolvimento do projeto
24
3.1 Desenvolvimento do Projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.2 Montagem dos componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
6
4 Referˆ encias Bibliogr´aficas
29
A APS
31
7
1
Introdu¸c˜ ao Um dos grandes desafios para o homem sempre foi voar, desde os prim´ordios a
humanidade observa na natureza diversos seres que tem essa capacidade e utilizam-se disto como uma ferramenta de sobrevivˆencia. Diversas foram as ` formas que os humanos usaram para conseguir realizar este feito e assim aplicaram isto para fins de transporte, b´elicos, acadˆemicos e at´e de divers˜ ao. Com todas essas aplicabilidades para o vˆoo, muitos vˆem tentando aperfei¸co´a-lo de diversas formas com o passar do tempo, chegando hoje a era dos estudos com vˆ oos n˜ao tripulados (Unmanned Air Vehicles-UAVs) e tamb´em de ve´ıculos voadores menores (Micro Air Vehicle - MAV) (VALENTI; SCHOUWENAARS; KUWATA; FERON e HOW). Dentro deste contexto, ainda existem v´arias possibilidades de se desenvolver um ve´ıculo, 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 eletrˆonico, sem a utiliza¸c˜ao de combust´ıveis, utilizando apenas energia el´etrica 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 vˆ oo.
1.1
Motiva¸ ca ˜o Na disciplina de Oficina de Integra¸c˜ao 2 temos o primeiro contato com a parte
pr´atica de eletrˆ onica envolvida com outras partes vistas no curso. Devido a este fato, queremos desenvolver dispositivos que nos chamem a aten¸ca˜o, como podemos observar em projetos de outros semestres, por´em motivados pela vontade de fazer algo realmente novo e com outra utilidade. Tivemos ent˜ ao 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 1.2.1
Objetivos Objetivo Geral Desenvolver um dispositivo que utiliza quatro motores para se locomover, utili-
zando componentes eletrˆ onicos para controlar e estabilizar o vˆ o o. Ao final do projeto o dispositivo dever´a ser capaz de levantar vˆ oo e permanecer no ar por alguns instantes.
1.2.2
Objetivos Espec´ıficos
1. Realizar uma pesquisa sobre os projetos existentes para a montagem de um quadricoptero e baseado nesta determinar uma metodologia pr´ opria mais apropriada; 2. Providenciar os materiais que ser˜ ao 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 informa¸c˜oes para os motores a fim movimentar o Quadricoptero no sentido vertical e estabiliz´a-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 informa¸co˜ es de pessoas que j´ a haviam constru´ıdo um Quadricoptero. A partir destas pesquisas, o grupo fez um levantamento de quais pe¸cas iam precisar para que o projeto fosse vi´ avel. Dentre v´arios projetos interessantes, um nos chamou a aten¸ c˜a o pela sua praticidade e baixo custo, o projeto MultiWii1. Este projeto serviu-nos como base para aquisi¸ c˜ao das pe¸cas que ser˜ ao utilizadas para o desenvolvimento f´ısico do Quadricoptero. Fizemos ent˜ ao a encomenda das pe¸cas, e come¸camos a pesquisar sobre o funcionamento e de qual forma elas se comunicariam. Foram compradas as pe¸cas demonstradas na figura 1
1
Pode ser encontrado no site: www.multiwii.com
9
Figura 1: Tabela de compras Fonte: Autoria pr´ opria
Como os componentes tiveram que ser importados (devido ao alto custo deles no Brasil e a dificuldade para encontr´ a-los), o grupo realizou por um longo tempo uma pesquisa te´ orica do seu funcionamento. Reunindo estas informa¸ c˜oes, ter´ıamos uma base de como estes componentes deveriam funcionar, e a partir da chegada dos mesmos, fazer testes para verificar seu funcionamento real. Com as informa¸ c˜oes retiradas destes testes, o grupo ir´ a montar o Quadricoptero e desenvolver o software respons´ avel pelo seu controle de estabilidade.
2
Fundamenta¸c˜ ao Te´ orica
2.1
Motor Brushless Este tipo de motor tem sua parte mecˆ anica similar a um motor brushed (com
escova), entretanto um brushless n˜ ao possui nenhum ponto de contato mecˆ anico entre o rotor e o estator para passagem de eletricidade, e outra diferen¸ ca importante ´e que este tipo de motor possui um im˜ a na parte externa que gira em torno de seu pr´ oprio eixo, desta forma girando tamb´em o rotor (FOUR,R.; RAMOUNTAR,E.; ROMEO,J.; COPELAND,B.). Este tipo de motor vem se popularizando nos ultimos ´ tempos por possuir uma s´erie vantagens em rela¸ca˜o ao motor brushed: •
Possui potˆencia alta;
•
Torque alto;
•
In´ercia baixa;
•
Tamanho menor;
10
•
Peso menor;
•
Alta Eficiˆencia;
•
Vida u ´ til longa (devido a ausˆencia de escovas e comutadores met´ alicos);
•
Sem acumulo de poeira e fa´ıscas;
•
Baixo ru´ıdo;
•
Baixa resistˆencia t´ermica (assim tendo uma maior dissipa¸ ca˜o de calor);
•
Alcan¸ca at´e 80.000 rota¸c˜oes por minuto (este n´ umero 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 ser´ a usado.
2.1.1
Como funcionam os motores brushless? Motores brushless possuem trˆes 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 s˜ ao ligadas em estrela, elas possuem um consumo menor, no entanto quando ligadas em delta, possuem uma for¸ca maior, j´a que quando ligadas em delta a corrente ´e igual para as trˆes bobinas(IRWIN, J.David), que s˜ ao ativadas a cada pulso emitido pelo ESC, fato que n˜ao ocorre na liga¸ca˜o estrela. Nestes tipos de motores quem gira ´e a parte externa do motor, e n˜ ao o seu n´ ucleo como ´e feito em outros tipos de motores, pois as bobinas s˜ao fixadas na estrutura do motor. As trˆes pontas de sa´ıda s˜ao ligadas a um auxiliador (no caso deste projeto um ESC) e este auxiliador tem uma fun¸c˜ao importante para o motor, pois ´e ele que ir´ a ditar o seu ritmo de funcionamento, ele ir´a acionar seq¨ uencialmente as bobinas de acordo com a largura do pulso emitido pelo Ardu´ıno, este fato permitir´ a ao grupo controlar a velocidade de giro do motor.
2.1.2
Motor utilizado no projeto Devido as v´arias vantagens citadas anteriormente e v´ arias pesquisas feitas e v´ıdeos
assistidos pelo grupo(o que nos permitiu ter uma pr´evia visual do resultado que almejamos), chegamos a conclus˜ ao 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 pre¸co acess´ıvel e ter a 1000 KV (unidade de rota¸ c˜ao/tens˜ao), garantindo a potˆencia necess´ aria para o Quadricoptero permanecer no ar e resistir a longos voˆ os.
Figura 3: Motor usado no projeto Fonte:http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/catalog/T2830-1000.jpg
2
pode ser encontrado neste link: http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/ 8495 Turnigy 2830 Brushless Motor 1000kv.html
13
2.2
Eletronic Speed Control A sigla ESC vem do inglˆes “Eletronic speed controller” e traduzida para o por-
tuguˆes significa “controlador eletrˆ onico de velocidade”. Como o nome j´a sugere este dispositivo ´e utilizado para controlar a velocidade de giros de motores el´etricos 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 trˆes sa´ıdas como as descritas na figura 4
Figura 4: Esquema do ESC Fonte: Manual do ESC comprado pelo grupo
1 – RED – Entrada para a fonte alimenta¸ c˜a o, no nosso caso a bateria, com corrente cont´ınua com tens˜ ao de 5.5 a 16.8V; 2 – BLACK- Entrada para o terra da fonte de alimenta¸c˜ao; 3 – Entrada para o sinal PWM. O sinal PWM, que vem do inglˆes Pulse-width modulation, ´e um sinal que varia basicamente entre dois pontos de tens˜ ao, a tens˜ a o 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 tens˜ao 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 s˜ao constru´ıdos com transistores que ligam e desligam o sinal de uma forma muito veloz3, fornecendo assim uma tens˜ao maior ou menor para os motores, com isso quanto menor o n´ umero de vezes que estes sinais desligam por um determinado per´ıodo maior ser´ a a tens˜ao fornecida para o motor e com isso maior ser´ aa velocidade como demonstrado na figura 6
3
˜ Informa¸ca˜o 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-
pens´ avel, pois o dispositivo precisar´a variar a velocidade dos motores para estabilizar-se no ar. Al´em disto, para projetos futuros o Quadricoptero poder´ a receber fun¸co˜ es de locomover-se em outras dire¸co˜es e sentidos, e para isto a precis˜ao da determina¸ca˜ o da velocidade dos motores e o seu controle ser˜ ao muito uteis. Os ESCs utilizados foram os modelos Turnigy AE-20A Brushless ESC que apresentam todas as funcionalidades necessitadas pelo artefato com uma caracter´ıstica 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
Acelerˆ ometro Um acelerˆometro em termos b´ asicos ´e um instrumento para medir acelera¸ c˜ao.
Em outros palavras pode-se dizer que ´e um componente que se baseia em leis da f´ısica para medir acelera¸ca˜o e por consequˆencia a velocidade e localiza¸ c˜a o do objeto ao qual o acelerˆometro pertence. Essas medi¸ c˜oes podem ser feitas em dire¸co˜es de uma,duas e at´e trˆes dimens˜oes,o que faz deste equipamento um instrumento muito u´til. Ao aprofundarmos o estudo dos acelerˆ ometros (FIGUEIREDO,L´ıgia; GAFANIZ,Ana; LOPES,Gustavo; PEREIRA,R´uben) verificamos que existem alguns modelos, dos quais citaremos o acelerˆometro capacitivo, o acelerˆ ometro piezoel´etrico, o acelerˆ ometro piezoresistivo e, o mais popular, acelerˆ ometro eletro-mecˆ anico (tamb´em chamado MEMS).
2.3.1
Acelerˆ ometro Capacitivo Os acelerˆ ometros capacitivos s˜ ao aqueles que a capacitˆ ancia varia em resposta a
acelera¸ca˜o, desta forma variando o sinal da sa´ıda do circuito. Estes tipos de acelerˆ ometros contˆem capacitores entre a massa e a estrutura do suporte sendo que estes capacitores
17 s˜ao formados por duas placas, uma m´ovel, portanto conforme a acelera¸ ca˜o a distˆancia dessa placa m´ ovel varia, alterando dessa forma a capacitˆ ancia do conjunto. Este modelo ´e ideal para aplica¸co˜es em ambientes de baixa frequˆencia e ambientes que requerem medidas est´aveis em baixo n´ıvel.
2.3.2
Acelerˆ ometro Piezoel´ etrico Nestes acelerˆ ometros sua massa ´e unida a um cristal piezoel´etricos, definindo
rapidamente, estes cristais s˜ ao bastante utilizados em rel´ogios e circuitos eletrˆ onicos , quando s˜ao submetidos a uma press˜ao, eles geram um campo el´etrico no eixo que foi aplicado a press˜ ao (SEARA). Quando este modelo de acelerˆ ometro se submete a uma vibra¸c˜ao, sua massa obedece a`s leis da in´ercia e o cristal piezoel´etrico fica submetido as ` for¸cas de tra¸ca˜o e de compress˜ ao, dessa forma gerando cargas el´etricas.
2.3.3
Acelerˆ ometros Piezoresistivos Este modelo ´e muito parecido com o citado anterior, a diferen¸ ca ´e que ele possui
um componente piezoresistivo ao inv´es do cristal piezoel´etrico, neste componente quem varia de acordo com a for¸ca exercida pela massa ´e a resistˆencia. Estes tipos de acelerˆ ometros conseguem medir acelera¸c˜oes em valores muito baixos de freq¨ uˆencia.
2.3.4
Acelerˆ ometro Eletro-Mecˆ anico (MEMS) Este ´e o modelo de acelerˆ ometro mais usado, ele possui sensores que detectam a
acelera¸ca˜o e a vibra¸c˜ao em at´e trˆes dimens˜ oes. Estes sensores s˜ ao sens´ıveis e vers´ateis, permitindo acrescentar novas capacidades, tornando-os mais eficazes. O movimento medido por este sensor ´e convertido em um sinal anal´ ogico ou digital. Estes tipos de acelerˆ ometros s˜ao vistos em celulares, GPS, videogames, e ser´a o modelo usado neste projeto.
2.3.5
Exemplos de aplica¸ c˜ ao de acelerˆ ometros O grupo ao fazer pesquisas sobre o uso de acelerˆ ometros encontrou diversos pro je-
tos onde foram constru´ıdos inclinˆ ometros (ALVES) com estes componentes, projetos que envolviam medicina onde os acelerˆometros foram de grande ajuda (FIGUEIREDO,L´ıgia; GAFANIZ,Ana; LOPES,Gustavo; PEREIRA,R´ uben) para o uso na avalia¸ca˜o do movimento humano, sendo utilizado detectar vari´ aveis fisiol´ogicas e at´e mesmo para detectar
18 dist´ urbios de sono. Por´em os acelerˆ ometros ficaram mundialmente conhecidos por suas diversas formas de se aplicar em componentes eletrˆ onicos, os mais populares: Celulares e Nintendo Wii. Em celulares como o Iphone da Apple pode-se verificar rapidamente a fun¸c˜ao do acelerˆ ometro na mudan¸ca de orienta¸ca˜o da tela, que ocorre quando se gira o aparelho, esta fun¸ca˜ o j´a ´e comum em outros celulares e em novos produtos como ”tablets”. S˜ ao fatores simples, mas que j´a facilitam o uso destes aparelhos. No videogame Nintendo Wii, onde o acelerˆ ometro de trˆes eixos (trˆes dimens˜ oes) ´e usado no controle, o que aumenta a intera¸c˜ao do jogador com o jogo. Outros componentes eletrˆ onicos tamb´em utilizam acelerˆ ometros, como notebooks (para proteger os discos r´ıgidos de quedas), em ve´ıculos (para a libera¸ca˜o do airbag) e em GPS (para calcular velocidade e a localiza¸ca˜o 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 acelerˆ ometro possui eixo triplo com ruido baixo e consome aproximadamente 320 uA. Seus sinais de sa´ıdas s˜ ao tens˜ oes anal´ogicas proporcionais a medida de acelera¸ca˜o. Este acelerˆ ometro pode medir acelera¸ca˜o est´ atica da gravidade na inclina¸ca˜o, e pode medir a acelera¸c˜ao dinˆamica em movimentos, choques ou vibra¸co˜es. Estas e outras informa¸c˜oes podem ser encontradas no datasheet do modelo4 . O acelerˆ ometro no Quadricoptero ser´ a util para calcularmos a sua inclina¸c˜a o e a sua acelera¸c˜ao, essas informa¸co˜es ser˜ ao de grande ajuda na hora do vˆoo, j´a que com elas saberemos se os motores precisam de mais ou menos energia para equilibrar o Quadricoptero. Essas informa¸co˜es ser˜ ao repassadas do acelerˆ ometro para um software desenvolvido na plataforma Ardu´ıno. Atrav´es desta comunica¸ ca˜o o grupo poder´ a ajustar os m´ınimos detalhes do vˆ oo.
4
Pode ser encontrado neste link: www.analog.com/static/importedfiles/data sheets/ADXL330.pdf
19
Figura 8: Acelerˆometro usado no projeto Fonte: Autoria pr´ opria
2.4
Girosc´ opio Muitos artigos e textos sobre o girosc´ opio d˜ao o cr´edito de sua inven¸ca˜o ao f´ısico
Jean Bernard Leon Foucault, que inventou este com o intuito de demonstrar o movimento de rota¸c˜ao da terra. Ao se observar a foto de um girosc´opio, nota-se que ele ´e um dispositivo que gira em torno de seu pr´ oprio eixo, e que quando submetido a uma for¸ca ele tende a mudar a orienta¸ca˜o do eixo de rota¸c˜ao, fazendo que este eixo inv´ es de mudar de dire¸c˜ao, como faria normalmente um corpo que n˜ ao girasse, ele muda sua orienta¸ca˜o para uma dire¸ca˜o perpendicular a dire¸ca˜o ”intuitiva”(STALLIVIERE). Em eletrˆ onica, os girosc´opios vˆem sendo desenvolvidos com a tecnologia MEMS (Micro Eletro Mechanical Systems) e s˜ao utilizados para complementar os acelerˆ ometros, desta forma melhorando todos os componentes que o acelerˆ ometro j´ a era usado como videogames, GPS, celulares, entre outros. De acordo com o fabricante (STMicroelectronics), os girosc´ opios utilizam propriedades mecˆ anicas para produzir estruturas dentro dos semicondutores para medir movimentos e detec¸c˜ao de movimento angular. Eles possuem sensores que possuem duas sa´ıdas separadas para cada eixo ao mesmo tempo, uma de valor de sa´ıda n˜ ao amplificado para detectar o movimento angular, e outro valor com uma amplifica¸ca˜o de 4 vezes para medidas de alta defini¸ca˜o e altas freq¨ uˆencias.
20
2.4.1
Aplica¸ co ˜es de Girosc´ opios Assim como o acelerˆometro, o girosc´ opio foi popularizado atrav´es de aparelhos
eletrˆonicos. Exemplo disso tem-se no Nintendo Wii, que chegou junto com uma pe¸ ca chamada “Wii Motion Plus” em 2008, prometendo uma maior realidade aos jogos do console. Por tr´as de toda a propaganda e promessas estava o girosc´ opio, que estava presente nesta nova pe¸ca trazendo uma maior realidade aos jogos, atrav´es de uma captura¸ c˜ao mais completa dos movimentos, possibilitando que um movimento do jogo fosse influenciado diretamente pela for¸ca e pela precis˜ao do jogador. Outra boa aplica¸ c˜ao do girosc´opio est´a no GPS, ao se juntar um girosc´opio com o acelerˆ ometro que j´ a est´a incluso em qualquer GPS, pode-se verificar exatamente onde o ve´ıculo est´ a indo. Desta forma, foi criada a fun¸ca˜o do piloto autom´ atico, que gra¸cas as informa¸co˜es dadas sobre a localiza¸ca˜ o do ve´ıculo, ele pode tra¸car a melhor rota e seguir a viagem.
2.4.2
Aplicabilidade no projeto O modelo de girosc´opio utilizado no projeto ser´ a o IDG6005 , que possui eixo
duplo, com sensores de velocidade angular e de vibra¸c˜ao, que detectam a velocidade de rota¸c˜ao do eixo X e do eixo Y. Este modelo ´e desenhado principalmente para os controladores de videogames e controles remotos, objetos que exigem sensores de movimento dinˆamico, resistˆencia a grandes choques, possuir um tamanho pequeno e baixo custo. Ele usa tecnologia MEMS propriet´ aria e patenteada. O girosc´ opio n˜ao ter´ a tanta utilidade no projeto como o acelerˆ ometro, como foi citado anteriormente, o girosc´ opio ao ser acoplado a um acelerˆometro, ele torna as informa¸co˜es obtidas mais precisas, com o girosc´ opio ligado ao acelerˆ ometro, poderemos obter informa¸co˜es no software em qual posi¸c˜ao o Quadricoptero estar´ a voando, verificar informa¸co˜es a respeito da rota¸ca˜o dos motores, e verificar se o Quadricoptero est´ a apontando para a dire¸ca˜o correta. Em rela¸ c˜a o a posi¸ca˜o precisa do Quadricoptero, a princ´ıpio as informa¸co˜es dadas pelo girosc´ opio n˜ao ser˜ ao muito uteis, pois o grupo n˜ ao pretende fazer grandes vˆ oos com o Quadricoptero at´e o final deste per´ıodo, por´em caso o trabalho seja continuado e melhorado para fazer vˆ oos longos, o girosc´opio ter´ a uma importˆancia muito maior.
5
Datasheet encontrado em: http://www.datasheetarchive.com/IDG%20600-datasheet.html
21
Figura 9: Girosc´ opio usado no projeto Fonte: http://radio-commande.com/wp-content/uploads/2010/05/WMP1.jpg
2.5
Ardu´ıno O Ardu´ıno ´e uma plataforma “open-source” de desenvolvimento, criada com o
objetivo de oferecer uma comunica¸ca˜o f´acil entre usu´ ario e hardware. Ele tem diversas fun¸c˜oes, podendo receber informa¸c˜oes de sensores, controlar luzes, motores, pode ser utilizado em experimentos de circuitos digitais, entre diversas aplica¸c˜oes6. Este microcontrolador ´e programado usando a linguagem de programa¸ c˜ao e o ambiente de desenvolvimento Ardu´ıno, uma linguagem muito parecida com C e muito amig´ avel, tornando poss´ıvel at´e mesmo quem n˜ ao ´e do ramo da programa¸ca˜o poder usar sem maiores problemas. Por ser um software livre, o Ardu´ıno pode ser executado em qualquer sistema operacional, o que lhe torna ainda mais u´til, pois n˜ao ´e preciso mudar de sistema operacional para us´ a-lo. Outro fator muito u´til do Ardu´ıno neste projeto s˜ ao suas sa´ıdas, pois alguns componentes precisam de 3.3 V e outros de 5 V. Este modelo de Ardu´ıno vem com um cabo USB para trocar informa¸c˜oes com o computador. 6
Informa¸co˜es retiradas de: http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno
22
2.5.1
Aplicabilidade no Projeto O Ardu´ıno ser´ a o c´erebro por tr´ as deste projeto, ser´ a em sua interface que o
grupo ir´ a implementar o programa que controlar´ a a estabilidade do Quadricoptero, e ser´ a do Ardu´ıno os sinais PWM que acionar´ a os motores e a alimenta¸ca˜o do Acelerˆometro e do Girosc´opio. O Ardu´ıno ser´a 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/sa´ıdas digitais (sendo seis de PWM), seis entradas anal´ ogicas, 32Kb de Mem´ oria Flash, 2 Kb de mem´ oria RAM e 16 MHz de “Clock Speed”. Este modelo foi escolhido devido ao seu custo acess´ıvel e por atender todas as necessidades do projeto.
Figura 10: Ardu´ıno utilizado no projeto Fonte: http://arduino.cc/enquploads/Main/ArduinoUno r2 front450px.jpg
2.6
Bateria A bateria usada no projeto ´e do tipo pol´ımero de ´ıon de l´ıtio, este modelo possui
uma densidade de carga maior que a das baterias de n´ıquel, oferecendo uma maior dura¸ c˜ao de carga e um peso menor, o que para o Quadricoptero ´e essencial. Entre outras vantagens est´a o fato de poder recarregar sempre que houver necessidade. A maioria das baterias de pol´ımero de ´ıon de l´ıtio usa uma carga r´ apida para carregar o seu equipamento a 80% da capacidade da bateria e ent˜ ao muda para carga lenta. Por´em ´e bom lembrar que estas baterias tˆem uma vida u´til, e tem um limite de recargas. Estes modelos de bateria s˜ao utilizadas pela Apple7 , e vem demonstrando resultados muito convincentes para a empresa. 7
http://www.apple.com/br/batteries/
23 O grupo estima que com a bateria completa o Quadricoptero consiga se manter no ar por alguns minutos, n˜ ao chegamos a fazer testes para poder afirmar por quanto tempo a bateria suportou. O modelo utilizado ´e o Turnigy 3000mAh, que possui um tens˜ ao de sa´ıda de 11 V, que ser´a ligada em paralelo com os ESC’s para alimentar-los, e esta bateria tamb´em alimentar´ a o Ardu´ıno.
Figura 11: Bateria utilizada no projeto Fonte: http://www.hobbyking.com/hobbycity/store/catalog/T3000-3-20.jpg
24
3 3.1
Desenvolvimento do projeto Desenvolvimento do Projeto O desenvolvimento do projeto foi dividido em quatro partes: pesquisa te´ orica,
pesquisa pr´atica do funcionamento do motor e de seus controladores, pesquisa pr´ atica do funcionamento do girosc´ o pio e do acelerˆometro e desenvolvimento do software para integrar os dados dos sensores e dos motores de forma que o Quadricoptero possa levantar vˆo o e se estabilizar no ar. Este processo pr´ atico, 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 cart˜ ao de cr´edito) e devido a greve dos Correios que ocorreu no segundo semestre deste ano. At´e a entrega desta monografia apenas a primeira parte pr´ atica do projeto foi conclu´ıda. 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 f´ısica do projeto foi baseada no projeto MultiWii, assim que decidimos qual projeto ir´ıamos usar de base, fizemos a encomenda dos componentes j´ a citados anteriormente e iniciamos as pesquisas no campo te´ orico sobre o funcionamento dos mesmos. Antes mesmo dos equipamentos chegarem, j´ a hav´ıamos definido a forma como eles seriam conectados e utilizados, como poder´ a ser visto no diagrama de blocos na figura 12
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Figura 12: Diagrama de Blocos Fonte: Autoria Pr´ opria
Definimos tamb´em como seria a liga¸ca˜o entre os componentes eletrˆ onicos, como demonstraremos no t´ opico a seguir.
3.2
Montagem dos componentes
1. Primeiramente conectaremos os componentes que utilizaremos a partir dos que foram retirados controles do Nintendo Wii (estes foram escolhidos, pois s˜ ao op¸co˜es de f´acil utiliza¸c˜ao e f´aceis de encontrar no mercado). Para utilizar o girosc´ opio e o acelerˆometro dos controles do Nintendo Wii abriremos os dispositivos e conectaremos seus componentes eletrˆ onicos para trabalhar, em paralelo, da forma apresentada na figura abaixo. A orienta¸ c˜ao dos equipamentos tem que ser como mostra a figura abaixo, para as informa¸co˜es fornecidas pelo acelerˆ ometro e oscilosc´ opio se complementarem e n˜ ao ficarem desconexas. A conex˜ ao citada no texto deve ser feito de acordo com a figura 13
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Figura 13: Montagem dos componentes Fonte: http://www.multiwii.com/connecting-elements
2. Em seguida conectaremos o Ardu´ıno aos ESC’s e ao Girosc´ opio. Tamb´em conectaremos a fonte de alimenta¸ca˜o (bateria) a estes elementos e aos motores como mostra a figura 14
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Figura 14: Montagem dos componentes II Fonte: http://www.multiwii.com/connecting-elements
3. Outra informa¸ca˜o importante para a montagem do equipamento ´e a posi¸ c˜a o das h´elices, pois para conseguirmos a sustenta¸ c˜ao necess´ aria para movimentarmos o Quadricoptero os motores tˆem que praticar uma for¸ ca para o lado certo (esta ´e uma das a´reas de estudo deste trabalho). Pelas pesquisas iniciais o Quadricoptero dever´ a 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, por´em isto n˜ao ´e definitivo pois apenas os testes pr´ aticos podem nos mostrar qual a melhor op¸c˜ao.
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Figura 15: Funcionamento das h´elices Fonte: http://www.multiwii.com/connecting-elements
4. Seguir as seguintes etapas ap´os realizar todos os itens anteriores: •
Realizar testes com os sensores (girosc´ opio e acelerˆ ometro), com o Ardu´ıno e com os motores e seus controladores, para entender melhor seu funcionamento;
•
Estudar os dados fornecidos pelos sensores e a potˆencia dos motores de acordo com a necessidade para o Quadricoptero se tornar est´ avel no ar;
•
Determinar uma estrutura ideal para utilizar com os elementos do Quadricoptero e mont´ a-la da maneira que for melhor ao grupo;
•
Desenvolver um software na linguagem Ardu´ıno para que o pro jeto se mantenha no ar, utilizando todos os itens anteriores.
29
4
Referˆ encias Bibliogr´ aficas 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 - Department 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 Inclinˆ ometros Microprocessadores
Utilizando Acelerˆ ometros Baseados em Tecnologia MEMS - Universidade Federal do Espir´ıto Santo, Vit´ oria. 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 - Universidade Luterana do Brasil, Canoas. 2008;
30 12. ANALOG DEVICES. Datasheet do Acelerˆ ometro ADXL330 - Dispon´ıvel em: http://www.analog.com/static/imported-files/data sheets/ADXL330.pdf; 13. FIGUEIREDO,L.J.; GAFANIZ,A.R. Aplica¸co ˜es de Acelerˆ ometros - Instituto Superior T´ecnico, Lisboa,Portugal. 2007;
co Cient´ıfico da Universidade Federal do Cear´ a - Dispon´ıvel 14. SEARA Espa¸ 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.htm - Acessado em 15/11/2011; 18. APPLE; Fabricante de aparelhos tecn´ologicos - Dispon´ıvel em: http://www.apple.com - Acessado em 10/11/2011;
c˜ ao de Inclina¸c˜ ao em Ve´ıculos Off-Road 19. ALVES,A.B. Sistema de Aferi¸ Centro Universit´ ario 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 - Acessado em: 15/11/11; 22. STMicroelectronics. Fabricante de componentes eletrˆonicos - Dispon´ıvel em: http://www.st.com/internet/com/home/home.jsp - Acessado em: 15/11/11;
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A
APS
10/08 Tivemos uma palestra com o prof o 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. aneos e trocamos algumas 12/08 Nos comunicamos via e-mail e por mensageiros instantˆ id´eias sobre como fazer o quadricoptero e se basear em alguns projetos feitos na internet.
17/08 Conversamos com o prof o M´ario sobre um poss´ıvel orientador e encontramos alguns projetos na internet, e elaboramos uma primeira lista de compras. a o e bolamos como seria a proposta do nosso projeto e con23/08 Fizemos uma reuni˜ versamos com o professor Giuliano, que aceitou ser nosso orientador. Neste dia encontramos uma placa que serviria para controlar o quadricoptero e j´ a vinha com trˆes girosc´ opios, por´em n˜ao havia sa´ıda USB e interface de programa¸ca˜o
24/08 Apresentamos nossa proposta aos professores e aos colegas. 26/08 Mudamos de id´eia quanto a placa citada anteriormente, e optamos por usar um Ardu´ıno e controles do Wii (para usar seu acelerˆ ometro e girosc´ opio). 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 h´elices (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 trˆes membros do grupo.
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31/08 Fizemos pesquisas de Ardu´ıno na internet e no centro, por enquanto optamos por comprar o Ardu´ıno Uno, e estamos procurando um material para a carca¸ ca do Quadricoptero. arios para o 07/09 Tivemos problemas com duas das trˆes compras dos materiais necess´ Quadricoptero, nossas compras foram canceladas pois tivemos problema com o site da HobbyKing. Tamb´em tivemos problema na compra do Ardu´ıno, 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 trˆes dias ut´eis para responder.
13/09 Achamos um vendedor de Ardu´ıno, por´em ele n˜ ao tinha no estoque. 14/09 As compras foram finalizadas com sucesso, e previs˜ao de chegada de 30 dias ut´eis, o grupo ficou preocupado pois nestes dias est´ a acontecendo a greve dos correios, o que ir´a atrasar a entrega dos produtos. Come¸ camos ent˜ a o a nos dedicar com exclusividade a teoria do projeto.
21/09 Os professores explicaram como temos que fazer a Qualifica¸c˜ao, o grupo se reuniu e dividiu a organiza¸ca˜o da mesma.
27/09 Chegaram os controles do Wii 04/10 Chegaram trˆes motores e compramos o Ardu´ıno. 12/10 O grupo est´ a preocupado com a demora das pe¸cas, e continua seu estudo te´ orico n˜ao podendo fazer os testes corretos devido a ausˆ encia das pe¸ cas. Neste mesmo dia os professores da disciplina nos chamaram aten¸ c˜ao quanto aos erros que cometemos na Qualifica¸ca˜o, e nos mandou refazer.
19/10 Ao conseguirmos as chaves para desmontar os controles do Wii, notamos uma diferen¸ca do modelo que estava no esquem´ atico que conseguimos do modelo que n´os temos, pedimos ajuda do prof Hugo para reconhecer os fios corretos do girosc´ opio para fazer a conex˜ ao no Ardu´ıno.
02/11 O grupo ficou um tempo inativo pois estavamos em semana de provas, e hoje nos re´unimos na casa do Gerson j´ a com os ESC’s em m˜aos. Fizemos as soldagens dos
