Algoritmo de Controle de Decolagem e Vôo Pairado. CARLOS RAFAEL DE ALMEIDA SILVA São José dos Campos, SP. Orientador: Alessandro Correa Mendes

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1 UNIVERSIDADE DO VALE DO PARAÍBA FACULDADE DE ENGENHARIA, ARQUITETURA E URBANISMO ENGENHARIA ELÉTRICA / ELETRÔNICA Algoritmo de Controle de Decolagem e Vôo Pairado CARLOS RAFAEL DE ALMEIDA SILVA São José dos Campos, SP Orientador: Alessandro Correa Mendes São José dos Campos, SP 2013

2 Sumário 1.Introdução Materiais e Métodos Fases do Projeto Objetivo Recursos Hardware Algoritmo de Controle Montagem Mecânica Testes funcionais Resultados e Discussões Resultados dos testes de hardware Resultados testes mecânicos Resultados testes funcionais Conclusão Referências Bibliográficas Anexo Algoritmo de Controle

3 Lista de Ilustrações Figura 2.1-Apresentação do primeiro vôo utilizando automatização Figura 2.2-RQ-4A Global Hawk Figura 2.3-VANT PREDATOR Figura 2.4- Exemplo de um veículo multi rotor Figura 2.5- Arquitetura do sistema da MicroPilot Figura 2.6-Superfícies de controle de um avião Figura Diagrama de blocos do projeto Figura 3.2- Características do motor Figura 3.3-Dados técnicos da hélice Figura 3.4- Setup de testes do HC-SR Figura 3.5- Setup de testes do ESC e do motor Brushless Figura 3.6- Plataforma para realização dos testes funcionais do projeto Figura Diagrama funcional do setup de testes funcionais Figura 3.8- Diagrama elétrico do projeto Figura 3.9-Malha de controle proporcional Figura Fluxograma do algoritmo de controle Figura Interface gráfica do aplicativo Blue Control Figura 4.1- Primeiro modelo mecânico Figura 4.2- Novo modelo de plataforma Figura 4.3- Base móvel Figura 4.4-Dados inseridos do ecalc Figura 4.5- Curva de operação do motor Brushless Figura 4.6- Características de operação do motor Figura 4.7- Detalhes base móvel e cablagem Figura Setup testes funcionais

4 Lista de Abreviaturas VANT GPS P.A AFCS ELAC SEC FAC AFDC PFC MAU ADS FCM ACE CAN NIC ESC PWM Veículo Aéreo Não Tripulado Global Positioning System Piloto Automático Automatic Flight Control System Elevator Aileron Computer Spoiler Elevator Computer Flight Argumentation Computer Autopilot Flight Director Computer Primary Flight Computer Modular Avionics Unit Air Data System Flight Control Module Actuator Control Electronics Computer Area Network. Network Interface Computer Controlador Eletrônico de Velocidade Modulação por Largura de Pulso 4

5 Resumo Uma aeronave autônoma é aquela cuja operação ocorre sem um piloto ou seu controle é efetuado remotamente. Sua vantagem operacional está ligada ao fato de não expor vidas humanas a riscos em operações. Suas dimensões são variadas, limitando-se a aplicabilidade de cada aeronave. Neste trabalho é descrita a metodologia para construção de um algoritmo de controle de estabilidade em decolagens e voos pairados (hover) autônomo embarcado. Será também proposta ao longo do projeto a construção de um sistema que por meio de uma plataforma móvel irá permitir que o usuário altere o valor de referência do controle e observe suas características de estabilidade aplicado no controle de altitude da plataforma móvel. Este sistema é composto de uma arquitetura de software embarcado em um microcontrolador da família MSP430 especifica para a aplicação e hardware dedicado à plataforma móvel para demonstrar a teoria envolvida e sua aplicação. Palavras chaves: VANT, microcontroladores, MSP430, controle Abstract An Unmaned Aircraft is one whose operation occurs without a pilot or control is performed remotely. Its operational advantage is linked to the fact of not exposing human lives at risk in operations. Its dimensions are varied, limiting the applicability of each aircraft. This work describes a methodology for constructing an algorithm stability control autonomous takeoffs and hovered in flight (hover) shipped. Will also be proposed throughout the project to build a system through a mobile platform will allow the user to change the reference value for the control and observe their stability characteristics applied to the altitude control of the mobile platform. This system consists of a software architecture embedded in a MSP430 microcontroller family specifies the application for and dedicated to the mobile platform to demonstrate the theory involved and its hardware implementation. Keywords: UAV, microcontrollers, MSP430, control. 1.Introdução Inúmeras tentativas de construção de veículos aéreos ocorreram ao longo da história devido a estas tentativas estarem ligadas a um dos grandes desafios do homem na história: voar. De várias maneiras, o homem sempre tentou realizar este objetivo e quando realizado utilizou para fins de transporte, bélico, lazer e também acadêmicos. 5

6 A crescente abordagem em artigos de diversos tipos de veículos aéreos autônomos demonstra a importância e aplicabilidade em variadas áreas, a qual fez com que veículos aéreos apresentassem cada vez mais automatização de funções. Aeronaves comerciais e não comerciais possuem atualmente sistemas que auxiliam a automatização de funções durante o vôo, tal sistema é conhecido como piloto automático. Um Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT) sem um controle automático de altitude demandaria um controle manual para tal ação. Essa dependência durante o vôo para um ajuste corretivo em resposta a cada ação de uma aeronave apresentaria uma imprecisão de resposta da aeronave, já que dependeria da velocidade de resposta humana, e avaliando que durante o vôo existem diversas variáveis importantes que também demandam atenção do piloto, tornaria-se impraticável e caso ocorresse, seria executado um controle de forma ineficiente seja ele controlado direto ou remotamente. Indefinidamente isso se torna um problema quando variadas aplicações são idealizadas, mas a falta de um automatismo de algumas funções contribui pra ineficiência de tais aplicações. O termo VANT abrange uma variedade de aeronaves que podem ser controladas remotamente ou voar seguindo planos de vôos pré-programados antes de seu lançamento, capaz de executar diversas tarefas, tais como reconhecimento, monitoramento, vigilância, mapeamento e ataque. A primeira vez que utilizou-se o conceito de Veiculo Aéreo Não Tripulado foi durante um ataque do Exército Austríaco à cidade italiana de Veneza em 12 de julho de Durante o ataque, balões foram carregados com explosivos e lançados do navio austríaco Vulcano, com a intenção de precipitarem sobre a cidade e, em seguida, explodir sua carga. Alguns destes balões atingiram seu objetivo, porém outros retornaram às linhas austríacas devido a uma repentina mudança de vento. A mesma técnica dos balões foi usada pelos Exércitos do Sul e do Norte durante a Guerra Civil Americana ( ) e na 1ª Guerra Mundial ( ). [1] Em 1914, Lawrence Sperry, filho de Elmer Sperry apresentou sua invenção na Competição de Segurança de Avião. Utilizando a invenção de seu pai, criou um aparelho estabilizador, acoplando um giroscópio para controlar superfícies e manter o eixo de vôo da aeronave. O primeiro avião 6

7 voando com piloto automático contou em sua apresentação com Sperry e o mecânico Emil Cachin conforme mostrado na Figura2.1. Penduraram-se cada um em uma asa da aeronave fazendo com que ela inclina-se, mas o estabilizador giroscópio imediatamente corrigiu a mudança de altitude e continuou a voar suavemente e realizou um pouso perfeito. [2] Figura 2.1-Apresentação do primeiro vôo utilizando automatização. [12] As primeiras aeronaves autônomas foram desenvolvidas logo após a 1ª Guerra Mundial. Eram utilizadas, inicialmente, como torpedos aéreos ou, na concepção atual, como mísseis de cruzeiro. Este avanço se deu graças ao desenvolvimento do controle remoto empregando giroscópios. [1] No final da década de 90, com o avanço do desenvolvimento tecnológico alcançado nessa época permitiu-se o surgimento de novas famílias de VANT cada vez mais versáteis, letais e com maior autonomia. Como o VANT americano RQ-4A Global Hawk mostrado na Figura 2.2, concebido para missões estratégicas, cujo raio de ação é de km, teto de vôo de pés, capacidade de transporte de kg e autonomia de 36 horas. 7

8 Figura 2.2-RQ-4A Global Hawk. [13] Destacam-se neste contexto os equipamentos utilizados pelos EUA durante a 1ª Guerra do Golfo (1991), Kosovo (1999), Afeganistão (2001). Nesta última, foi realizada a primeira missão de combate de um VANT armado, o PREDATOR com o lançamento do míssil anticarro AGM- 114K Hellfire II é descrito na Figura

9 Figura 2.3-VANT PREDATOR. [14] Desde então, o avanço da pesquisa com a tecnologia VANT no cenário internacional continuou progredindo, como pode ser notado ao observar o número de projetos nessa área dos seguintes países: Argentina: 15; Austrália: 24; Canadá: 14; França: 77; Alemanha: 39; Itália: 37; Irã: 38; Paquistão: 33; Rússia: 59; Coréia do Sul: 25; África do Sul: 16 Suíça: 19; Reino Unido: 65; Japão: 16, Israel: 83, EUA: 386. [3] Outro avanço de tecnologia de VANT são as aeronaves de multi rotores, que é uma aeronave impulsionada por vários motores dispostos em pares. Oposto aos aviões, que têm asas fixas, os multi rotores tem sua levitação garantida por motores independentes. Ela pode ser classificada como um helicóptero, embora diferente dos helicópteros tradicionais, pois possuem diversos motores (multi rotores) e utilizam hélices de lâminas fixas, que não variam enquanto giram. A movimentação do veículo pode ser alcançada variando a velocidade relativa de cada motor e em consequência seu torque. A Figura 2.4 mostra um exemplo de veículo multi rotor. 9

10 Figura 2.4-Exemplo de um veículo multi rotor. [15] Ao falarmos de piloto automático para veículos aéreos que existem hoje, podemos exemplificar sistemas de pilotos automáticos de aeronaves comerciais e sistemas existentes para veículos aéreos autônomos como sistemas criados pelas companhias: AGX Tecnologia, OpenPilot e MicroPilot Inc. Essas empresas oferecem sistemas de piloto automático para veículos aéreos não tripulados de pequeno porte diferenciando cada uma dos serviços oferecidos por elas. A AGX Tecnologia fornece sistemas 100% nacional com alto desempenho e confiabilidade. Vem desenvolvendo sistemas embarcados com ênfase em sistemas de controle e sensoriamento remoto, pilotos automáticos para aeronaves autônomas, estações de controle em terra, sistemas de interpretação automática de imagens, softwares de inteligência computacional aplicada a processamento de imagens e modelagem de softwares para geração de código automático. [4] A MicroPilot Inc. é uma empresa que fabrica, entre outros produtos, pilotos automáticos e se auto intitula líder mundial em pilotos automáticos nesse segmento. Os controles automáticos disponíveis incluem vôo com velocidade constante, vôo com altitude constante, execução de curva coordenada, navegação por GPS, bem como o lançamento e pouso autônomos. [5] A arquitetura do sistema da MicroPilot é descrita na Figura

11 Figura 2.5-Arquitetura do sistema da MicroPilot. [16] OpenPilot é um projeto open source e intitula-se a próxima geração de hardware e software para veículos multi rotores, helicópteros, aviões e outros veículos. Visa oferecer a sociedade acesso a uma poderosa plataforma de piloto automático e estabilização de vôo. A força da OpenPilot esta no desenvolvimento em conjunto, em que os indivíduos contribuem com o seu tempo, esforço e habilidades para que todos possam se beneficiar. Como um programa de código aberto sem fins lucrativos, o projeto tem como objetivo implementar as melhores características de sistemas similares e juntá-las em um único pacote de software e hardware. O sistema da OpenPilot é desenvolvido para ser uma poderosa plataforma para veículos aéreos não tripulados. [6] 11

12 Em se tratando de aeronaves comerciais, em condições normais, os aviadores dificilmente são demandados a utilizar suas habilidades manuais, o que reduziu drasticamente a carga física de trabalho na cabine de comando. Os pilotos tem como principal tarefa a inserção de dados e autorizações ao sistema de vôo automático. Atualmente o piloto automático (P.A) é o principal automatismo presente em aeronaves comerciais. O sistema de P.A moderno possui, geralmente, um computador central, o qual determina o movimento da aeronave. O sensor de posição e/ou movimento determina a posição atual do avião e, de acordo com os dados informados pelo piloto, ou por um computador de navegação, realiza a correção necessária através de servos motores e atuadores. Apesar de existir uma grande diversidade nos sistemas de piloto automático, a maioria pode ser classificada de acordo com o número de peças, ou superfícies, que controla. Para compreender essa explicação, a familiaridade com as três superfícies básicas de controle que afetam a posição de uma aeronave ajuda bastante. A primeira é composta pelos profundores, dispositivos na cauda de um avião que controlam a inclinação (a oscilação de uma aeronave em torno do eixo horizontal perpendicular à direção do movimento). O leme direcional também está localizado na cauda do avião. Quando o leme direcional é inclinado para estibordo (direita), a aeronave muda de direção: gira sobre um eixo vertical naquela direção. Quando o leme é inclinado para bordo (esquerda), a aeronave se desloca na direção oposta. Finalmente, os controles de rolagem (ailerons) nas bordas traseiras de cada asa rolam a aeronave de um lado a outro.[7] Os pilotos automáticos podem controlar qualquer uma ou todas essas superfícies. Um piloto automático de único eixo gerencia apenas um conjunto de controles, geralmente os ailerons. Esse tipo simples de piloto automático é conhecido como "nivelador de asas" porque, ao controlar a rolagem, ele mantém as asas da aeronave niveladas. Um piloto automático de dois eixos gerencia os profundores e os ailerons. Finalmente, um piloto automático de três eixos gerencia todos os três sistemas de controle básicos: ailerons, profundores e leme direcional [7], conforme mostra a Figura

13 Figura 2.6-Superfícies de controle de um avião. [17] Cada fabricante de aeronave adota, de acordo com suas necessidades, uma arquitetura diferenciada de interfaces entre o piloto automático e controles de vôo. No mundo da aviação, o piloto automático é mais precisamente descrito como um sistema de controle de vôo automático (AFCS - Automatic Flight Control System). Um AFCS faz parte dos aviônicos de uma aeronave: os sistemas eletrônicos, os equipamentos e os dispositivos usados para controlar sistemas-chave do avião e seu vôo. Além dos sistemas de controle de vôo, os aviônicos incluem sistemas eletrônicos para comunicações, navegação, prevenção de colisões e condições climáticas. Pilotos automáticos avançados podem fazer muito mais que isso, realizando até manobras altamente precisas, como pousar uma aeronave em condições de visibilidade zero. A empresa Airbus opta por separar os computadores responsáveis pelas leis de controle dos movimentos da aeronave. Desta forma têm-se os ELACs (Elevator Aileron Computer), SEC (Spoiler Elevator Computer) e FAC (Flight Argumentation Computer). No caso do avião A320 os ELAC são dispostos em pares e controlam o profundor e os ailerons e o estabilizador em modo normal. Os SEC são três e controlam os spoilers e o estabilizador em modo stand-by. Já os FAC operam em pares e controlam o leme, o sistema de Yaw Damper, o trim do leme e realizam cálculos para os displays. 13

14 Uma característica marcante da arquitetura da Airbus é que o manche foi retirado da posição tradicional e instalado lateralmente sob a forma de um joystick, chamando-o de sidestick. O sidestick comanda a razão de rolamento e não atua diretamente na superfície. [8] Já o piloto automático da Boeing atua sobre a superfície de comando e move a coluna do manche em correspondência ao comando efetuado. Para o modelo 777 que é dotado de controles de vôo fly-by-wire, o computador que recebe inicialmente os comandos do PA é o AFDC Autopilot Flight Director Computer. A principal característica que diferencia a Boeing das demais é o fato de apresentar o backdrive, que se trata de um comando que movimenta o manche indicando qual foi o comando dado para a superfície de controle pelo Piloto Automático e transmitindo ao piloto uma indicação de como se está atuando nas superfícies de controle. O AFDC possui três processadores (A, B e C). Os processadores A e B recebem comandos de backdrive de outro computador, o PFC Primary Flight Computer, convertendo os sinais de backdrive digitais que recebe para analógicos. O processador C processa as leis de controle do PA e do flight director, trabalhando também na detecção de falhas no sistema. O AFDC controla a corrente do motor para cada atuador do backdrive, o que limita a força que este aplica nas colunas, manche os pedais do leme, porém esta força é suficiente para que o atuador supere o atrito no sistema. Como característica de manejo da aeronave, ela utiliza o tradicional manche, permitindo assim o funcionamento do backdrive. Outros pontos favoráveis a adoção da coluna são: possibilidade de introduzir sensores de força, de posição; permite adição de feel system. Os aumentos da complexidade e do peso são desvantagens ao se adotar esse modo. A EMBRAER optou pela configuração do manche tradicional, entretanto seu sistema de backdrive opera de maneira diferente da adotada pela Boeing. Neste caso o piloto automático atua através de servomotores diretamente na coluna de controle proporcionando assim atuação nos comandos primários da aeronave. Nesta arquitetura existe uma unidade para controle eletrônico denominada MAU (Modular Avionics Unit), que calcula os comandos do Piloto Automático através do módulo AFCS (Automatic Flight Control System) responsável por processar as ordens do PA e enviar comandos 14

15 para o servomotor que aciona a coluna através do Air Data System (ADS), que processa sinais provenientes de sensores da aeronave. O AFCS conta com a presença de dois canais, sendo que em cada um há dois processadores. Assim, um processador envia comandos para o servo, enquanto o outro, monitora os comandos enviados pelo processador e analisa a presença de falhas. Além dos AFCS, existe uma unidade denominada FCM (Flight Control Module), que está relacionada com uma linha digital para controle do ACE (Actuator Control Electronics). A presença do FCM está relacionada a mudança de ganhos na linha digital, tais ganhos devem ser menores com o aumento da velocidade, pois a altas velocidades, as deflexões nas superfícies devem ser menores, de modo a evitar maiores danos à aeronave. No caso de falha no FCM, não haverá influência nos comandos do ACE, sendo estes todos analógicos, ou seja, independentes do FCM. A comunicação entre FCM e ACE é feita através do CAN Computer Area Network. Tem-se o NIC (Network Interface Computer). O NIC é responsável pela comunicação entre os módulos, de modo que sejam levados em consideração aspectos da integridade durante o funcionamento. O AFCS envia um comando para o NIC, que deixa disponível os dados em uma rede para poderem ser utilizados pelos componentes do MAU. Muitos pilotos automáticos modernos podem receber dados de um receptor de Sistema de Posicionamento Global (GPS) instalado na aeronave. Um receptor de GPS pode determinar a posição de um avião no espaço calculando sua distância a partir de três ou mais satélites na rede do GPS. Armado com tais informações de posicionamento, um piloto automático pode fazer mais do que manter um avião voando em linha reta e nivelado: ele pode executar um plano de vôo. 15

16 2 Materiais e Métodos 2.1 Fases do Projeto Na Figura 3.1 é apresentado o diagrama de blocos que contempla a seqüência de atividades desenvolvidas neste projeto. Figura 3.1-Diagrama de blocos do projeto. 16

17 2.2 Objetivo O presente projeto tem como principal objetivo o desenvolvimento de um algoritmo de controle de decolagem e voo pairado autônomo embarcado. O desenvolvimento e testes pretende a implementação de uma plataforma móvel que possibilite o teste e a simulação do algoritmo. O algoritmo de controle será embarcado em um placa de experimentos chamada LaunchPad cujo microcontrolador é o MSP430G2553 da Texas Instruments devido a versatilidade desses microcontroladores. 2.3 Recursos Durante a criação deste projeto foram utilizados os seguinte softwares: - IAR Embedded Workbench for MSP430 version Software que permite realizar a programação, depuração e configurações em geral do microcontrolador MSP430G Blue Control Aplicativo para plataforma Android que fornece uma interface de controle Bluetooth sem fio. -ecalc- RC Calculator Software online que fornece informações teóricas do conjunto utilizado ( ESC + BRUSHLESS + HELICE ) 2.4 Hardware Na fase de pesquisa bibliográfica observou-se entre outras coisas o hardware necessário para a aplicação. Tal aplicação necessitaria de um módulo que permitisse a medição de altitude sem contato e um módulo que realize o controle da velocidade do motor de propulsão. Para que fosse possível medir a altitude da plataforma móvel, foi escolhido o módulo de sensor ultrassônico HC- SR04. Este tipo de sensor pode proporcionar medições de distancia de 2 à 400 cm, com a grande vantagem de ser um tipo de sensor sem contato físico para a medição de distancia. O modulo possui 17

18 transmissor e receptor ultrassônico e um circuito de controle, que vai ditar como o modulo vão trabalhar ao receber os sinais de controle vindo do microcontrolador. Para o controle do motor de propulsão foi escolhido o Controlador Eletrônico de Velocidade (ESC) Turnigy Multistar 30 Amp Multi-rotor Brushless. O ESC tem a finalidade de proporcionar o controle de motores sem escovas (brushless). São constituídos de transistores que ligam e desligam o sinal de uma forma rápida, controlados por uma microcontrolador de alta performance. Em sua entrada é aplicado um sinal do tipo Pulse Width Modulation (PWM) com um Duty Cycle em torno de 1ms a 2ms, gerando em sua saída o proporcional de 0% à 100% de rotação do motor. Utilizou-se o motor D kv Brushless Motor do tipo brushless, pois o mesmo possui a parte física semelhante ao motor brushed (com escova), mas não possui nenhum contato mecânico entre estator e rotor para a transmissão de energia. Possui também um imã na parte externa que gira em torno do seu próprio eixo, girando assim também o rotor. O motor brushless é o mais utilizado em aeromodelismo elétrico devido a possuir alta potência, alto torque, inércia baixa, peso reduzido, alta eficiência além de operar em alta rotação. Esse tipo de motor introduz uma confiabilidade mais elevada, ruído reduzido além de uma vida útil mais longa. [9] As características do motor são descritas na Figura 3.2. Figura 3.2-Características do motor. [19] Utilizou-se no projeto uma hélice que permitiu a elevação da base móvel. Com o aumento da 18

19 velocidade de rotação das hélices obtém-se menor pressão sobre elas surgindo um vetor resultante de força para cima chamado empuxo. Conforme este fica maior, menor ou igual que a força peso a aeronave subirá, descerá ou ficará flutuando respectivamente. [10] Escolheu-se para o projeto a hélice do tipo 1047R Right Hand Rotation que possui um comprimento de 10 polegadas e chega a um deslocamento de 4,7 polegadas numa rotação completa conforme descrito na Figura 3.3. Figura 3.3-Dados técnicos da hélice. [20] 2.5 Algoritmo de Controle Ambos os módulos demandavam um controle específico para seu funcionamento. Para o desenvolvimento do algoritmo de controle desses módulos utilizou-se o software IAR Embedded Workbench. Para cada módulo utilizado no projeto foram desenvolvidas rotinas de testes que permitissem verificar o funcionamento de cada módulo de forma independente. Tal rotina fez uso de periféricos internos de um dos módulos de TIMER do MSP430G2553 da LaunchPad. Configurou-se o sinal de trigger do módulo ultrassônico para permitir o início da lógica de funcionamento interno do mesmo. Desta forma configurou-se o TIMER interno do MSP430G2553 de forma a proporcionar a detecção do sinal de ECHO do ultrassom. Nesta etapa foram necessárias algumas configurações de itens importantes como: Selecionar o modo de captura para capturar as bordas de subida e descida do sinal permitindo a detecção do tempo em nível alto do sinal do ECHO; Escolha do modo de clock para referência de tempo do TIMER Habilitar o sistema de interrupção interna do TIMER. 19

20 Tais configurações possibilitaram meios para o tratamento do sinal de ECHO do ultrassom e o cálculo da distância medida. Para auxiliar nos testes do funcionamento do módulo HC-SR04 foi utilizado o terminal de comunicação serial do computador para podermos acompanhar a distância medida do mesmo em tempo real na tela do computador. Após o microcontrolador realizar todo o processo para gerar o trigger, que dá início ao funcionamento da lógica interna do módulo ultrassônico, adquiria-se a medida de tempo em nível alto do sinal do ECHO e processava-se a distância real enviando essa informação ao computador para acompanharmos na tela a distância medida em centímetro (cm). O setup de testes do HC-SR04 é apresentado na Figura 3.4. Figura 3.4-Setup de testes do HC-SR04. O próximo passo baseou-se no desenvolvimento de uma rotina de controle para o ESC. Para o controle do ESC é necessário um sinal elétrico do tipo PWM (Modulação por Largura de Pulso). Para gerar esse sinal optou-se pela mesma fonte de clock, já utilizada no algoritmo de teste do ultrassom e a configuração do TIMER interno do microcontrolador mais adequada para geração do PWM. Como característica fundamental para o funcionamento e controle do motor brushless o duty cycle do sinal de controle tinha que estar em um range de 1ms à 2ms para possibilitar o controle do ESC de 0 a 100% de velocidade, e consequentemente o controle de velocidade do motor. Nos testes do motor brushless realizou-se a montagem elétrica descrita na Figura

21 Figura 3.5-Setup de testes do ESC e do motor Brushless. 2.6 Montagem Mecânica Esta fase do projeto consiste na construção de uma plataforma móvel no eixo y, onde o movimento vertical neste eixo é realizado através do motor propulsor com uma hélice instalada em seu eixo, possibilitando o controle de altitude do algoritmo. Foi idealizado um modelo que consistia em uma plataforma móvel que se desloca de forma livre verticalmente, tendo como guias para o deslocamento vertical duas barras verticais. Para garantir segurança nas operações um limitador de segurança e uma base fixa foram adicionados ao sistema conforme descrito na Figura 3.6. Figura 3.6- Plataforma para realização dos testes funcionais do projeto. 21

22 Para a construção deste modelo foram utilizados materiais que estavam ao alcance durante a fase de desenvolvimento. Materiais para a base móvel tinham como características necessárias: peso reduzido, boa rigidez mecânica, facilidade de aquisição e preço reduzido. Foram escolhidos para teste materiais como madeira, alumínio e acrílico. O material escolhido para as hastes e a base foram materiais metálicos maciços e pesados, garantindo estabilidade à estrutura. Já os pontos de fixação necessitam de materiais que proporcionam o deslocamento da base móvel através de hastes verticais. Para os pontos de fixação foram utilizados rolamentos lineares e tubos. 2.7 Testes funcionais Distribuindo o módulo de leitura de altitude e o motor brushless no centro da base móvel para obtermos maior estabilidade e uma distribuição de peso uniforme na base móvel. Os itens instalados na base podem ser observados na Figura 3.7. Figura 3.7-Diagrama funcional do setup de testes funcionais. 22

23 Após definição do diagrama funcional, foram realizadas as conexões elétricas necessárias ao funcionamento de cada módulo. Criando uma cablagem elétrica que possibilitou a interligação entre a placa de controle e a base móvel. A Figura 3.8 mostra o diagrama elétrico do projeto. Figura 3.8-Diagrama elétrico do projeto. Utilizou-se para controle de estabilidade uma malha fechada do tipo proporcional descrita na Figura 3.9 para termos uma resposta imediata em relação a cada variação do valor medido em comparação com o valor desejado. O controle é iniciado ao definir um valor de referência para a malha de controle, após isso esse valor passa por um módulo de cálculo proporcional, que é uma equação matemática que relaciona o valor de referência com a altitude lida pelos sensores. Este módulo gera um valor de um sinal PWM proporcional em sua saída em relação a esses valores, alimentando o ESC e fazendo o motor girar. Ao mesmo tempo é medido o valor de altitude, que é enviado para a realimentação da malha. Para um erro maior que 1, o algoritmo interpretava que o valor desejado não foi atingido e em conseqüência disso, aumentava a rotação dos motores proporcionalmente. Caso esse erro fosse menor que 1, o algoritmo interpretava que o valor desejado foi alcançado e assim diminuía a rotação do motor proporcionalmente. [11] 23

24 Figura 3.9-Malha de controle proporcional. O algoritmo de controle precisava fornecer meios para manipular itens importantes para a lógica de controle do projeto. Além de proporcionar ações corretivas para manter a estabilidade, deveria como padrão iniciar a base móvel numa altura mínima de 10 cm. A lógica utilizada no algoritmo de controle pode ser vista na Figura

25 Figura 3.10-Fluxograma do algoritmo de controle. 25

26 Foram utilizadas no algoritmo de controle sistemas de interrupções que auxiliaram na aquisição de dados importantes como o valor de altitude da base móvel. Após isso o algoritmo fazia o tratamento desse valor lido e o convertia para uma relação mais adequada dentro do programa. Com este valor era feito uma comparação com o valor de referência, caso esse valor demonstra-se que a base móvel estava acima ou abaixo do valor de referência, era realizado a correção proporcional para chegar a altitude desejada. Para auxiliar a fase de testes funcionais foi implementado no algoritmo uma rotina para possibilitar a utilização de um módulo Bluetooth permitindo que através de um aplicativo de celular com sistema operacional Android fosse possível variar a altitude desejada. Foi escolhido o aplicativo Blue Control, descrito na Figura 3.11, que proporciona uma interface universal que pode ser usada de acordo com a necessidade de cada projeto. Com esse controle através de um aparelho celular é possível observar as ações de controle inerentes a cada comando dado pelo aplicativo. Cada incremento/decremento proporcionava uma alteração de 1 cm em relação a altitude desejada. Figura 3.11-Interface gráfica do aplicativo Blue Control. [18] 26