FPV O próximo nível do aeromodelismo

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1 FPV O próximo nível do aeromodelismo Marcos Paulo de Souza RESUMO Este artigo destina-se a todos os interessados em pilotagem de aeromodelos através de câmeras embarcadas e se propõe a dar uma visão introdutória sobre os conhecimentos que são necessários para uma prática saudável e segura dessa modalidade de pilotagem de aeromodelos. Palavras-Chave FPV, Flight per Vídeo, Pilotagem por câmera 1. INTRODUÇÃO A prática do vôo através de câmeras instaladas em aeromodelos está crescendo em todo o mundo. E como a pratica de qualquer hobby está sempre inserida em um ambiente de muita pesquisa e colaboração, é com esse espírito que gostaria de convidar aos interessados no assunto a lerem esse artigo e contribuir para o aperfeiçoamento dessa nova perspectiva de vôo com aeromodelos. Sou aeromodelista de coração desde a infância, mas somente aos 30 anos tive os recursos necessários para entrar nesse extraordinário universo do aeromodelismo. Desde os primeiros contatos na infância com os aeromodelos com motores a combustão, despertou a paixão pelo hobby, mesmo que apenas como espectador. Ingressei nesse hobby já na era dos motores elétricos brushless 1 e das baterias de Polímero de Lítio, que tem substituído com muita competência os motores a combustão. 1 Brushless é a nomenclatura adotada para os motores elétricos que não utilizam as tradicionais escovas de carbono para conduzir a eletricidade até a bobina do motor, que gera sua rotação.

2 Para aqueles que estão tomando contato com o assunto pela primeira vez acredito ser importante que suas primeiras impressões sobre o assunto sejam as mais sérias e comprometidas possíveis, por isso lhes convido a conhecer o que realmente é o FPV/RPV 2. A inspiração para essa modalidade de vôo parece ter nascido dos experimentos com aeronaves não tripuladas que enviavam dados de telemetria (e posteriormente imagens) de seu vôo para uma estação de controle em solo, onde um controlador coordenava seu plano de vôo e missões. Essas aeronaves foram batizadas de UAV s (Unmaned Aerial Vehicles Veículos Aeroespaciais não Tripulados) Com a popularização das tecnologias wireless 3 para transmissão de áudio, vídeo e dados, foi possível reproduzir em pequenos aeromodelos alguns dos experimentos feitos nos UAV s, nascendo assim o FPV; Essa técnica de pilotagem em aeromodelos é a uma das melhores maneiras de experimentar a sensação de voar em espaço real. Porém ela é também a técnica de pilotagem de aeromodelos que mais exige habilidades e conhecimentos técnicos dos praticantes, pois requer noções de fundamentos de vôo, leitura de instrumentos, orientação, navegação e vários outros conhecimentos relacionados à pilotagem real de uma aeronave. O ponto crucial para a prática saudável de FPV é a segurança. E pensando nela é que praticantes de FPV de todo o mundo estão engajados em tornar os sistemas embarcados em seus aeromodelos cada dia mais seguros e confiáveis. *** IMPORTANTÍSSIMO **** O FPV é uma modalidade nova de pilotagem de aeromodelos que ainda não possui regulamentação por nenhuma confederação de aeromodelismo ou pelos órgãos de controle de tráfego aéreo, o que exige de seus praticantes uma grande responsabilidade. Cito abaixo alguns dos principais riscos que um praticante de FPV pode sofrer ou causar: 2 Siglas de Flight Per Video / First Person View, e Remote Person View. 3 Wireless é a demoninação das tecnologias de transmissão de dados por meio de ondas de radiofreqüência.

3 Perda do aeromodelo pela perda do sinal de vídeo de seu equipamento FPV sem que haja um "co-piloto" em solo monitorando visualmente a localização do aeromodelo, uma vez que se pilota olhando para um monitor, podendo causar sua queda sobre pessoas e/ou propriedades; Perda do aeromodelo pela perda do comando por ultrapassar o limite de alcance do Radio Controle, podendo causar sua queda sobre pessoas e/ou propriedades; Voar em altitude compatível com rotas de aproximação de aeronaves e colocar em risco a segurança de vôo local; Basta que ocorra um desses eventos uma única vez para que toda a comunidade de praticantes de FPV seja banida dos campos de vôo. Por isso a palavra de ordem é SEGURANÇA. O atual nível tecnológico de equipamentos eletrônicos disponíveis ao público em geral abre muitas oportunidades para desenvolvermos sistemas de FPV seguros. Cito dois sistemas que julgo essenciais: os "Pilotos Automáticos" e o "Sistema de Áudio e Vídeo". O coração do sistema de FPV é a sua conexão sem fio de áudio e vídeo com a estação de controle. É com base nas imagens recebidas do sistema de câmeras no aeromodelo que o praticante conduz seu vôo de maneira adequada e segura. Se a conexão sem fio for interrompida por qualquer razão, o piloto não terá nenhuma referência de onde seu aeromodelo estará especialmente em vôos cuja distancia entre o aeromodelo e a estação de controle supere os 500 metros de distância lign of site 4 Para reduzir esse risco no caso de uma falha no sistema de vídeo foram desenvolvidos equipamentos auxiliares que ajudam o praticante a manter o controle do aeromodelo e trazê-lo de volta a base em relativa segurança: são os pilotos automáticos. Eles são um conjunto de circuitos e sensores que auxiliam na estabilização de um aeromodelo no caso da perda do sinal do radio controle ou do sinal de vídeo e pode ser programando para enviar sinais de comando aos servos do aeromodelo para redirecionar seu proa de vôo e trazê-lo novamente para um ponto préprogramado na memória do equipamento. 4 Lign of site: termo em inglês que significa uma distância entre dois pontos livre de obstáculo.

4 Vamos agora entender um pouco mais esses dois sistemas básicos para uma pratica segura de FPV. 2. SISTEMAS DE AUDIO E VIDEO PARA FPV Somente através desses equipamentos é possível a pratica do FPV. Sua profunda compreensão de funcionamento e limitações levará ao praticante a níveis muito seguros de vôo. O sistema consiste basicamente de uma microcâmera conectada a um transmissor de áudio e vídeo wireless, ambos instalados dentro do aeromodelo, que envia as imagens através de radiofreqüência para um receptor em solo, que por sua vez as envia para um monitor. Com isso o piloto tem a imagem em tempo real daquilo que o aeromodelo está "observando". Atualmente existem quatro grupos de freqüências que utilizam tecnologia de espalhamento espectral de baixa potência 5 disponíveis para transmissão de áudio e vídeo, que permitem aos praticantes de FPV fácil acesso, sejam pelo preço acessível dos equipamentos ou pela dispensa de licenças especiais para operação. São elas: Faixa de 900 Mhz (Mega Hertz) Faixa de 1.2 Ghz (Giga Hertz) Faixa de 2.4 Ghz (Giga Hertz) Faixa de 5.8 Ghz (Giga Hertz) Cada faixa de freqüência tem características próprias de propagação, penetração no espaço, transporte de dados, capacidade de transposição de obstáculos, entre outras. Como o objetivo desse artigo é introduzir os interessados aos conceitos básicos sobre o FPV, não irei aprofundar estas particularidades sobre cada faixa de freqüência, mas recomendo muito uma pesquisa mais profunda. 5 No Brasil o limite de potencia permitido é de 125 mw segundo Capítulo III, Seção IX, Art 40, Inciso VI do Anexo a Resolução nº 365 da ANATEL,.

5 Lembre-se que esse é o elemento mais importante do FPV. Sem um sistema de vídeo confiável e adequado ao tipo de vôo que você pretende fazer sempre existirá a dúvida se seu aeromodelo fará um próximo vôo. Seguem algumas dicas para orientar sua pesquisa: Dimensionamento de um Rádio-Enlace ponto a ponto o Potência de Transmissão o Ganho de Antenas o Sensibilidade de Recepção o Atenuação de Espaço Livre o Zona de Fresnel Tipos de antena o Omnidirecionais o Setoriais o Direcionais o Helicoidais o Parabólicas o Yagi o outras Legislação ANATEL - ANEXO À RESOLUÇÃO No 365, DE 10 DE MAIO DE 2004 Fontes de interferências 2.1. Exemplos de fontes de interferências nos locais de vôo Sistemas com Bluetooth, que operam na faixa de freqüência que vai de GHz até GHz; Sistemas de redes sem fio, que operam na faixa de freqüência que vai de GHz até GHz, e em alguns caso pode operar também na faixa de 5 GHz;

6 Padrão Região/País Frequência Potência b & g Américas 2,4-2,4835 GHz 1000 mw b & g Europa 2,4-2,4835 GHz 100 mw b & g Japão 2,4-2,497 GHz 10 mw b & g Espanha 2,4-2,4875 GHz 100 mw b & g França 2,4-2,4835 GHz 100 mw ª Américas 5,15-5,25 GHz 40 mw ª América do Norte 5,25-5,35 GHz 200 mw ª América do Norte 5,47-5,725 GHz Não aprovado a América do Norte 5,725-5,825 GHz 800 mw Celulares GSM Quad-Band, que operam em faixas de 850 MHz, 900 MHz, 1800 MHz (1.8 GHz) ou 1900 MHz (1.9 GHz); Transmissões Radioamadoras que operam em UHF: contatos via satélite, reflexão lunar, emissão-piloto, repetidoras e comunicação digital. Faixa de 70 cm 430 a 440 MHz Faixa de 33 cm a 928 MHz Faixa de 23 cm 1240 a 1300 MHz Faixa de 13 cm 2300 a 2450 MHz Com esse panorama geral sobre sistemas de transmissão de áudio e vídeo sem fio podemos escolher corretamente os equipamentos para um vôo FPV seguro.

7 3. SISTEMA DE PILOTO AUTOMÁTICO PARA FPV Os sistemas auxiliares de suporte a vôos autônomos podem ser considerados a apólice de seguro do praticante de FPV consciente e responsável. Esse equipamento é o cérebro do sistema de FPV e ajudará o praticante a garantir a integridade de pessoas e propriedades, além do seu próprio investimento. Existem diversos sistemas eletrônicos que se propõe a governar um aeromodelo em caso de perda do sinal do rádio controle. Alguns sistemas bem simples estão presentes nos próprios receptores dos aeromodelos de alguns fabricantes, e são conhecidos pela função FAIL SAFE 6. Essa função é uma programação feita no receptor antes do vôo para reagir a uma possível perda do sinal do transmissor, enviando comandos aos servos do aeromodelo para executarem os movimentos programados. Contudo, essa programação é muito limitada e não garante que o aeromodelo desgovernado não cause danos a terceiros. Um bom sistema de auto governança necessita de parâmetros bem programados e de dados recebidos de sensores que determinarão a atual situação do vôo do aeromodelo, como por exemplo, altitude, velocidade do ar, localização geográfica e orientação em relação ao solo. Com esses dados o sistema pode calcular todas as instruções necessárias para reorientar e estabilizar o vôo do aeromodelo no sentido desejado. Um sistema de piloto automático necessita basicamente dos seguintes componente: o Placa de circuito gerenciadora, normalmente dotada de um microprocessador e um sistema operacional (firmware) que processa os dados enviados pelos sensores e transforma-os em comandos para o aeromodelo; o Módulo de GPS conectado a placa gerenciadora para fornecê-la as coordenadas geográficas da posição atual do aeromodelo. A placa gerenciadora utiliza esses dados 6 FAIL SAFE é o termo em inglês que significa Segurança Contra Falhas

8 para determinar onde o aeromodelo está no espaço em relação às coordenadas geográficas do local de decolagem (ou de pouso), gravadas em sua memória antes da decolagem; o Sensor de pressão do ar conectado a placa gerenciadora para fornecê-la a velocidade do ar sob as asas do aeromodelo, calculada pela diferença da pressão do ar nos Tubos de Pitot. A placa gerenciadora utiliza esses dados para determinar a necessidade de mais ou menos potencia do motor para garantir a sustentação do aeromodelo em vôo; o Sensor infravermelho para detectar esse espectro da luz solar que atravessa a camada atmosférica, e que diferencia o céu da terra. A placa gerenciadora usa esse dado para orientar e estabilizar o aeromodelo em relação ao solo; Com esses dados, a placa gerenciadora tem condições de gerar comandos para o aeromodelo de maneira a corrigir e estabilizar sua atitude de vôo e redirecioná-lo para o local programado na memória do piloto automático, que pode ser o seu local de decolagem ou o seu destino de pouso. A complexidade desse tipo de sistema está relacionada com a quantidade de funções que desejamos que ele execute. Normalmente eles tendem a ser compactos para não prejudicarem a característica de vôo do aeromodelo e por isso são limitados. Entretanto existem projetos de pilotos automáticos criados por praticantes de FPV que permitem o usuário alterar a programação de seu sistema operacional e assim programar novas funcionalidades. Um piloto automático pode decolar e pousar o aeromodelo com precisão, contando com a ajuda de outros sensores, tais como o sensor ultrasom para detectar a exata distancia do aeromodelo em relação ao solo, e com isso acionar flaps, acionar trens de pouso, ajustar a potencia do motor, etc. O limite para suas funcionalidades é o seu tamanho e peso final, que o permita ser colocado dentro do espaço disponível no aeromodelo. Para complementar as noções básicas sobre um vôo em FPV seguro e responsável não poderíamos deixar de falar sobre o sistema que dá a vida ao aeromodelo e transfere para as mãos do piloto a sensação de estar no comando: O sistema de Radio Controle

9 4. SISTEMA DE RÁDIO CONTROLE PARA FPV Para esse capítulo necessitaremos compreender algumas informações sobre Radio Controles. A primeira delas é que os radio controles atuais não foram concebidos para atender as exigências de segurança dessa nova modalidade de vôo. Seu conceito foi, e ainda é, de atender as necessidades dos praticantes em aeromodelismo para um raio de alcance visual, ou seja, para fazer vôos até onde os olhos enxergam o aeromodelo. A maioria dos fabricantes de radio controles atestam seus produtos dentro desse parâmetro, onde muitas vezes ainda subestimam o potencial do equipamento em suas literaturas técnicas para não gerar expectativas erradas nos clientes e assim gerar insatisfação ou acidentes. Exemplos disso vem do fabricante FUTABA, que garante para seus rádios que operam em FM (72 MHz) alcance de até 800 metros e para seus rádios que operam em UHF (2.4 GHz) o alcance de até 300 metros. Na verdade esses alcances praticamente representam a média dos alcances visuais de um ser humano padrão em relação a objetos que não ultrapassem 1,0 metro quadrado de área visível dentro desses alcances. Fisiologicamente falando, um objeto de 1 metro quadrado (e.g.: 1,20 de envergadura por 0,80 de comprimento), observado de uma distancia de 800 metros oferece uma percepção de tamanho pouco maior do que de um maço de cigarros. Por esse motivo, nenhum radio atual tem a especificação técnica necessária para utilização em vôos de FPV que ultrapassem os alcances garantidos por seus fabricantes. Mesmo considerando que você tenha um excelente sistema de vídeo e um piloto automático que só faltasse falar, ainda assim você estaria negligenciando o fator segurança e colocando pessoas em risco ao voar com seu radio convencional fora dos parâmetros especificados pelo fabricante. Muitos praticantes pelo mundo afora reportam em fóruns suas experiências de alcances com rádios tradicionais maiores que aqueles expressos pelos fabricantes, mas todas são experiências sem padrões de parâmetros de teste e sem comprovação técnica. O alcance de um radio transmissor não está relacionado apenas com sua potencia de saída, mas também com o meio de

10 propagação, condições meteorológicas e fontes externas de interferência. Por isso que os fabricantes subestimam o alcance de seus rádios para que eles entreguem o alcance garantido em quase qualquer situação do ambiente de propagação. Um fator fundamental sobre o Radio Controle usado para FPV é que ele sempre tenha o seu alcance maior que o alcance do sistema de vídeo. Se o sistema de vídeo tiver alcance maior do que seu rádio você poderá voar alem do alcance do radio e assistirá a queda do seu aeromodelo pela perda do sinal de controle. O contrário não acontece, se seu radio tiver um alcance maior que o sistema de vídeo, pois este último lhe fornecerá "sinais" de perda de alcance através de chuviscos na imagem antes dele efetivamente perder a conexão, permitindo que você manobre o avião e retorne para um ponto de melhor recepção. O radio controle não emite esse tipo de "AVISO", a menos que você consiga ler o RSSI 7 de seu receptor e monitorar seus níveis baixos de sinal. Isso é possível, como veremos mais a frente, com o uso de telemetria ou OSD 8, com receptores que forneçam essa leitura. Existem atualmente alguns esforços de praticantes de FPV no desenvolvimento de sistemas de radio controle que transmitem em UHF na faixa de 70 cm (423 a 440 MHz) e de 23 cm (902 a 928 MHz) com grande alcance, utilizando potencia de saída de 500mW, situação regulamentada para uso por radioamadores licenciados. Isso traz uma luz sobre o assunto do ponto de vista da segurança, sem infringir nenhuma legislação local, ou até mesmo internacional. Apenas como referências, seguem alguns projetos de rádios-controle de longo alcance disponíveis para consultas na internet: o DragonLink UHF RC System o Thomas Scherrer UHF RC System o EZ UHF RC System 7 RSSI: Received Signal Strenght Indication, termo em inglês para Indicação da Força do Sinal Recebido que alguns receptores oferecem a possibilidade de leitura através de circuitos auxiliares, tais como o OSD 8 OSD: On Screen Display, termo em inglês para um dispositivo eletrônico que sincroniza caracteres de texto sobre imagem capturada de qualquer fonte de vídeo. É o princípio dos TelePrompts que jornalistas usam para ler a noticia, mesmo olhando para a câmera, pois a informação está passando sobre sua própria imagem num monitor especialmente destinado para esse fim.

11 Aqui cabe um relevante comentário. Quando falamos de FPV estamos considerando dois grandes sistemas de radio-enlace, por assim dizer: O radio-enlace entre o Transmissor e o Receptor do aeromodelo, que executam os comando de vôo, e o radio-enlace entre o Transmissor e o Receptor do sistema de áudio e vídeo. É indispensável que os dois sistemas não interfiram um no outro, ou seja, quando estivermos montando nossos aeromodelos para voar em FPV teremos que estudar muito bem as freqüências que trabalharam em conjunto no sistema. Um exemplo prático para ilustrar isso é que não se deve usar uma freqüência de 2.4Ghz para transmissão de áudio e vídeo em conjunto com um sistema de radio controle também de 2.4GHz. Isso certamente causará alguma interferência entre eles. Nota: Os radio controles mais modernos que utilizam a freqüência 2.4Ghz normalmente são dotados da tecnologia FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum). Essa tecnologia consiste em microprocessadores e vários filtros eletrônicos no transmissor e receptor para varrer toda a faixa de freqüência e procurar pelas freqüências com menos interferências externas, o que torna o sistema muito mais seguro para vôos em locais com vários rádios operando na mesma faixa de freqüência. Contudo, essa tecnologia ainda foi compatibilizada com sistemas de transmissão de áudio e vídeo sem fio, o que os deixa muito sensíveis a interferências. Se dois praticantes de FPV estiverem voando com transmissores de áudio e vídeo na mesma freqüência, muito provavelmente ambos sofrerão mutua interferências em suas recepções, podendo levar a queda dos aeromodelos pela falta de uma imagem adequada do vôo. A seguir apresentarei alguns outros equipamentos atualmente disponíveis e desenvolvidos para aprimorar a experiência de imersão do praticante em uma sensação mais completa de estar voando dentro de seu aeromodelo.

12 5. SISTEMAS COMPLEMENTARES PARA FPV Existem vários acessórios que o praticante de FPV pode colocar em seu aeromodelo para aumentar a segurança e a sensação de pilotagem durante o vôo. São eles: 1. Sistema de Telemetria: ele coleta dados através de sensores instalados no aeromodelo, processa e transmite para a estação de controle as informações sobre o vôo tais como voltagem da bateria do receptor (ou do motor para o caso de aviões elétricos), temperatura de componentes como turbinas e speed controls, altitude, velocidade do ar, distância percorrida, e quaisquer outras informações que sejam possíveis serem coletadas e transmitidas. Abaixo estão alguns dos sensores mais utilizados para monitorar o comportamento de vôo do aeromodelo, similares aqueles utilizados pelo Piloto Automático. a. Módulo de GPS: fornece as coordenadas geográficas do aeromodelo que são utilizadas para calcular a distância percorrida, a altitude do avião em relação ao ponto de decolagem, sua velocidade em relação ao solo, proa de vôo e direção para retorno ao ponto de origem; b. Sensor de pressão do ar no tubo de Pitot: fornece a velocidade do ar que está passando sob as asas do aeromodelo, determinando sua sustentação. Cada avião possui uma velocidade de STALL, ou seja, a velocidade mínima do ar passando sob as asas onde, abaixo dela, o avião perde a sustentação e cai; c. Sensor de temperatura: fornece a temperatura das superfícies onde eles são conectados, ajudando a gerenciar componentes onde a temperatura seja um fator crítico tais como turbinas e speed controls d. Sensor de Voltagem e Amperagem: fornece o valor da tensão e da corrente consumida por sistemas que utilizam energia elétrica tais como motores elétricos e os circuitos eletrônicos embarcados; e. Sensor infravermelho: fornece dados de referência entre céu e terra pela captura da luz infravermelha que atravessa a atmosfera, permitindo determinar a linha do horizonte e assim criar o chamado "horizonte artificial";

13 f. Sensor de pressão barométrica: fornece uma referência muito mais precisa da altitude do aeromodelo do que os módulos de GPS, podendo ser utilizado para determinar a exata altitude do aeromodelo pela subtração entre a altitude no ponto de decolagem e as altitudes aferidas ao longo do vôo; g. Sinal RSSI do receptor: Alguns receptores possuem uma função importante para FPV que é a informação da força do sinal do transmissor que está chegando a suas antenas. Com essa informação é possível determinar a hora de retornar para um ponto mais próximo da estação de controle para evitar a perda do alcance do controle; 2. Sistema de OSD: sigla para On Screen Display é um recurso utilizado para inserir e sincronizar informações de texto a imagens de vídeo. Ele normalmente é utilizado em conjunto com sistemas de telemetria para facilitar a visualização das informações de vôo para o praticante ao colocá-las sobrepostas as imagens de vídeo que o piloto recebe em sua estação de controle provenientes do seu aeromodelo. 3. Pan and Tilt: é o sistema de panoramização e verticalização da câmera de vídeo instalada no aeromodelo, permitindo que o piloto movimente a câmera em diversas direções e possa observar o vôo com se fosse o movimento do pescoço do piloto. Consiste de dois servos interconectados e juntos conectados a câmera, que recebem do receptor os comandos para movimentá-los. 4. Head Tracking: é uma espécie de giroscópio eletrônico adaptado para ser preso à cabeça do piloto para monitorar seus movimentos e transformá-los em sinais PPM que são enviados ao aeromodelo para movimentar a Pan and Tilt utilizando canais livres do sistema de radio controle. Isso elimina a necessidade de comandos manuais para movimentar os servos da câmera a aumenta a sensação de pilotagem virtual, pois, ao movimentar a cabeça em um determinado sentido, o sistema faz com que a câmera no aeromodelo se movimente no mesmo sentido e na mesma intensidade do movimento. Com essa visão geral sobre os fundamentos do FPV o praticante pode referenciar suas pesquisas para atender suas necessidades específicas e assim evoluir na prática dessa modalidade de vôo.

14 6. AGRADECIMENTOS, USOS E DIREITOS AUTORAIS Vale lembrar que, assim como você está recebendo essas informações, é muito importante que suas descobertas sejam compartilhadas com todos os interessados no assunto, garantindo assim o desenvolvimento de métodos, técnicas e equipamentos cada vez mais seguros. Esse artigo é disponibilizado gratuitamente, mas tem todos seus direitos autorais reservados. Você pode utilizá-lo para instrução própria, mas não poderá usá-lo comercialmente sem a atribuição dos devidos créditos autorais e pagamentos dos royalties previstos em lei. Se você deseja contribuir com a atualização desse artigo, enviem suas sugestões, criticas e comentários para para que eles sejam devidamente citados e tenham os créditos atribuídos a você como colaborador e co-autor. Em breve esses artigos serão traduzidos para 5 idiomas e suas contribuições alcançarão o mundo inteiro, por isso participe. Desejo a todos muito sucesso em suas pesquisas e experimentos, e vôo espetaculares com seus aeromodelos FPV. 7. REFERÊNCIAS [ 1 ] Website ANATEL [ 2 ] Website AEROMODELIMO VIRTUAL [ 3 ] Quadro de freqüências de telefones celulares GSM -

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