ESTUDO E DESENVOLVIMENTO ESTRUTURAL E FUNCIONAL DE PROTÓTIPOS VANTS MULTIROTORES

Transcrição

1 ESTUDO E DESENVOLVIMENTO ESTRUTURAL E FUNCIONAL DE PROTÓTIPOS VANTS MULTIROTORES Andressa dos Santos Passos (Aluna IC-Jr), Fernando Barros da Silva Filho (Orientador) CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPq SHIS QI 1 Conjunto B Blocos A, B, C e D Lago Sul Brasília DF CEP: SECRETARIA DA EDUCAÇÃO DO ESTADO DO CEARÁ Av. Gen. Afonso Albuquerque lima, s/n - Cambeba CEP: Fortaleza - CE Resumo A prototipação de VANT s 1 do tipo VTOL 2 é assunto abordado de forma recente no Brasil tendo em vista que as principais fontes de orientação e consulta sobre a montagem e operacionalização deste tipo de aeronave tem sido predominantemente tratada em e-fóruns e bibliografia científica internacional. Fundamentado nisto, este projeto teve como principal objetivo o estudo das variáveis estruturais e de desempenho em relação ao funcionamento de uma linha de produção de VANTs do tipo VTOL-Multirotor através da adaptação de peças produzidas a partir de materiais alternativos. Para tanto, o trabalho foi estruturado em várias etapas as quais seguem: Estudo da estrutura básica em função das variáveis ambientais; Prototipação; Aquisição e fabricação de peças; Montagem de estrutura funcional; Testes de operacionalização; Análise de parâmetros de voo. Os resultados demonstram que existe uma vasta aplicabilidade deste tipo de aeronaves e que a mesma pode ser definida pelos parâmetros atendidos pela estrutura do equipamento Palavras Chaves: Aeronave, Aplicabilidade, Controlador de Voo, Parâmetros de voo. Figura 1 : Graus de liberdade de diferentes aeronaves Buscando acompanhar a evolução neste segmento da indústria aeroespacial a proposta de estudo desta tecnologia objetivou proporcionar meios referenciais à indústria nacional para elaboração e construção de VTOL-M utilizando materiais de baixo custo ao passo que se mantenha a versatilidade e capacidade de utilização em diferentes operações bem como possibilitar a análise dos fatores que influenciam os parâmetros de voo. A elaboração e construção dos primeiros protótipos nos possibilitou a oportunidade de realizar uma série de testes sobre uma linha de produção a qual gerou informações sobre como alguns parâmetros de voo, estabelecidos para este projeto, varia de acordo com a estrutura elaborada para cada veículo. 1 INTRODUÇÃO O desenvolvimento de VANTs do tipo VTOL Multitotor (VTOL-M) pelas industrias tecnológicas vem aumentando consideravelmente nos últimos anos, fato este possibilitado pela sua vasta aplicação a qual vai desde o entretenimento até mesmo na utilização como armamento militar. A versatilidade apresentada por este tipo de plataforma de voo é o fator determinante para sua gama de aplicações pois, dentre as UAV s elétricas de pequeno porte mais conhecidas como por exemplo, os aviões, helicópteros e dirigíveis, o VTOL-M é o que apresenta maior grau de liberdade (Degrees of freedom - DOF) o que lhe proporciona maior liberdade de manobras frente ao avião, além de possuir uma capacidadede de carga (Payload) consideravelmente boa quando comparado ao dirigível (que apresenta o mesmo DOF) no qual a massa de carga é consideravelmente limitada [Bouabdallah, S. Murriere, P. 2004] 1 VANT: (veículo aéreo não tripulado) aeronave não-tripulada de tamanho e formas inicialmente utilizada em fins militares e controladas remotamente ou de forma autônoma com voos pré-programados. 2 VTOL: (Vertical Take Off and Landing) aeronave com capacidade de decolar e aterrissar verticalmente. 2 FUNDAMENTAÇÃO O VTOL-Multirotor utiliza o sistema de hélices para sustentação, no entanto todas são projetadas acima do veículo, as quais permitem a mobilidade do veículo através da variação da velocidade nos seus respectivos motores conforme ilustrado na figura abaixo. Dentre estes parâmetros demos destaque especial para a autonomia, em termos de tempo de voo, e a qualidade de sensoriamento, os quais são indicadores fundamentais para o estabelecimento da finalidade do equipamento. Figura 2: as reações R1 a R4 se cancelam devido à inversão de rotação de cada motor. Figura 2: Para o veículo mover-se na direção (- X) a velocidade do motor 1 deve ser reduzida enquanto a do motor 2 deve ser aumentada. Figura 3: Para Mostra Nacional de Robótica (MNR) 1

2 realizar giros horários e anti-horários (em torno do eixo Z) as velocidades dos motores que giram no mesmo sentido devem ser aumentadas ou diminuídas Fonte: [Castillo 2004] Devido a necessidade de respostas rápidas dos sensores sobre a velocidade dos motores, este tipo de equipamento tem sido discutido na comunidade científica predominantemente em estrutura elétrica, uma vez que sistemas envolvendo combustão além da sobrecarga sobre a Payload, apresenta também uma maior dificuldade de sincronização dos rotores. Abaixo é demonstrado um esquema básico da estrutura de um quadricóptero. Figura 3: Esquema estrutural de um quadricóptero Baseado no esquema anterior podemos considerar que a estrutura fundamental de VANT do tipo VTOL-M pode ser resumida nos seguintes itens: Placa controladora: Conhecida como FC (flight controller), se trata de uma interface que controla todo o sistema digital através de um microprocessador programável Sensores: Conjunto de componentes eletrônicos (geralmente msd) responsáveis em realizar a análise de diversos fatores inerentes ao sistema. Os mais comuns neste tipo de sistema são: barômetros, giroscópios, acelerômetros, módulo gps, etc. A maioria se encontra fixada na placa controladora. Sistema de controle eletrônico de velocidade: É constituído basicamente de um componente conhecido domo ESC (eletronic speed control) o qual é largamente utilizado para controlar automaticamente a velocidades de motores especiais presentes no aeromodelismo. Motores e propulsores: Componente responsável em realizar a conversão da corrente elétrica em energia cinética através da rotação realizada geralmente por uma bobina. Ao ser integrado a uma hélice propulsora obtém a capacidade de realizar um empuxo sobre o fluido (ar). Sistema de controle (Tx/RX): Sistema que utiliza ondas de rádio para realizar comandos sobre um sistema digital. Sistema de alimentação: É geralmente constituído de um conjunto de pilhas elétricas de alta eficiência de carga e descarga. Geralmente é utilizada baterias recarregáveis tendo em vista o custo de reposição. Atualmente se difunde o uso de baterias do tipo LiPo (Lítio-Polímero). Devido às características estruturais deste tipo de aeronave sua composição pode ser miniaturizada de tal forma que uma gama de aplicações pode ser sugerida na sua utilização, fato este possibilitado pela evolução da eletromecânica atual a qual difundiu a tecnologia MEMS (miniaturização de sistemas eletromecânicos), que possibilitou a evolução de diversos segmentos na indústria tecnológica, entre elas a aeroespacial, onde percebe-se a busca pela portabilidade e autonomia destes veículos aéreos. Apesar da possibilidade relativamente recente de utilização das tecnologias MEMS na tecnologia aeroespacial nota-se que muitos protótipos de aeronaves em pequeno porte já são utilizados em vários países, aonde sua aplicação vai deste o simples entretenimento até o uso como armamento militar. Com base que já foi produzido cientificamente, percebemos a possibilidade de aplicação deste tipo de veículo em diversas áreas visando a boa utilização do equipamento na sociedade, de tal forma que, a mesma possa ser atendida pela tecnologia disponível mais que ainda não alcançou seu status de benefício social na sua forma mais evidente. Dentre as possibilidades geradas pela construção do sistema descrito anteriormente reforçamos a ênfase à atuação no sensoriamento ambiental e em ações policiais. O primeiro motivado pela necessidade de disponibilizar uma ferramenta auxiliar aos órgãos responsáveis a tal fim, onde um VANT VTOL-M trabalhando sincronamente com uma central de comunicação integrada a atividades de satélites, permitiria a obtenção de variados dados, entre os quais podemos citar: focos de incêndio, desmatamento ilegal, controle e observação da fauna, tudo isso em tempo e controle total, economizando assim os recursos para mobilização de equipes e helicópteros bem como se evitando a exposição desnecessárias de vidas humanas em ambientes muitas vezes hostis. A segunda aplicação é motivada primordialmente pela necessidade de reestruturação tecnológica das polícias brasileiras onde pode-se propor a utilização deste protótipo em diversos segmentos no auxílio da promoção da segurança pública como, por exemplo: realizar a perseguição de criminosos dentro de áreas como algumas estruturas prediais, em matagais ou em campo aberto, onde a exposição direta do policial torna-se inviável proporcionando muitas vezes que recuem para manter a integridade. Um veículo aéreo equipado com uma câmera infravermelha pode facilmente identificar pessoas escondidas em matagais mesmo na mais absoluta escuridão. No policiamento investigativo pode-se utilizar o mesmo sistema para realizar o acompanhamento e coleta de imagens mais ampliadas de uma região onde o delito tenha ocorrido, proporcionando assim maior rapidez e confiabilidade nos laudos técnicos. Mostra Nacional de Robótica (MNR)

3 Também percebemos o potencial deste tipo de equipamento no que nomeamos de turismo em imersão aérea a qual consiste em proporcionar aos usuários um sobrevoo em pontos turísticos utilizando um sistema de vídeo integrado a um óculos especial que reproduz as imagens observadas pela câmera tripulada no VANT em tempo real, a qual se movimenta de acordo com o movimento da cabeça do usuário. 3 VISÃO GERAL DO PROJETO Baseados em estudos anteriores e em referencias técnicas específicas, consolidamos a consciência da versatilidade dos VANT s VTOL-M no que diz respeito a suas aplicações em diversos segmentos. Entretanto, apesar de atualmente termos a disposição uma vasta opção em termos estruturais deste tipo de equipamento, ainda assim surgem muitas dúvidas no momento de se elaborar e construir um veículo que atenda a necessidades específicas. Daí portanto reforça-se os objetivos deste projeto os quais seguem: Quanto maior essa grandeza, mais rápido será o giro do motor consequentemente menor é o torque (baixa Payload) Quanto menor o valor de mais lendo será o giro do motor entretanto seu torque será maior (alta Payload) 4.3 Qualidade de sensoriamento O sensoriamento estudado se fundamenta em três instâncias: Comando em tempo real (via estação de radiofrequência) Piloto automático (via coordenação de satélites GPS) Tratamento de imagens (via transmissão de imagens em tempo real) 5 PROTOTIPAÇÃO Estudo da estrutura e funcionamento de um VANT do tipo VTOL em termos de diferentes aplicações Construção de protótipos para teste de parâmetros de voo Operacionalização de protótipos em simulações de possíveis aplicações. Aplicação em diversos segmentos funcionais O software utilizado para prototipação foi o Google Sketchup 8 que é freeware e está disponível no seguinte link: 4 VARIÁVEIS PESQUISADAS Figura 4: Hexacóptero Figura 5: Quadricóptero As integrações destas variáveis geram o que neste trabalho chamamos de parâmetros de voo, os quais são destacados a seguir: 4.1 Autonomia de energia (Tempo de voo) Definido teoricamente pela relação: [Motor x Hélice] x taxa de descarga Tempo de voo=(mah/1000*60)/a Onde: mah =Taxa de descarga da bateria A = Consumo médio dos motores Figura 6: Uso militar Figura 7: Coleta de amostras 4.2 Estabilidade Parâmetro definido através da relação: [giros por minuto x tensão elétrica] (rpm/v) Figura 8: Cobertura jornalística Figura 8: Turismo aéreo Mostra Nacional de Robótica (MNR) 3

4 6 DESCRIÇÃO DE MATERIAIS BÁSICOS 6.1 Aquisição A partir do estudo da estrutura do equipamento bem como sua prototipação, foi realizado um levantamento de fornecedores de cada uma das peças necessárias para início da montagem a qual consideramos padrão. Bateria de Lipo 3S 2200mAh Câmera de bordo Canaletas de alumínio Cano de PVC 3 Carregador de Lipo 6 células Cartão de programação de ESC Eletronic speed controler 30 A (ESC) Frame Hexa 450 mm FTDI de comunicação Microprocessadores Atmega Motores Brushless 1000 ~ 1200 Propelentes 8 ~ 10 Rádio controle 9ch Resina epóxi e catalizador Sensor de baixa tensão Sistema de FPV Tecido de fibra de carbono Ferramentas de bancada 6.2 Especificação dos materiais Antes de realizar a montagem os alunos responsáveis pela montagem do equipamento realizaram o estudo detalhado de cada peça o que possibilitou a descrição precisa de cada uma conforme segue com as respectivas imagens: MOTOR BRUSHLESS Peso: 52 g (rpm/v): 1000 Potência max.: 210 w ESC: 20 a 30 A Bateria: 2 a 4 S LiPo Hélices: 10 x 4,5 ou 8,0 x 4,5 PROGRAMÁVEL ESC 30A BRUSHLESS SPEED CONTROLLER Peso: 32 g Tamanho: 36 x 26 x 7 mm Tensão d entrada: 16,8 v DC Bateria; 2 a 4 S LiPo Definições de programação: Break: on /off Cut off mod: soft cut off / cut off Cut off threshold: Low / Mid / High PARES DE HÉLICE REFORÇADA DE CARBONO 10X4.5 Peso: 7 g Distancia recomendada entre os eixos: 550 a 700 mm Motor recomendado: 750 a 1000 Kv BATERIA ZIPPY 4000MAH 4S1P 20C FLIGTMAX Peso: 399 g Dimensões: 143 x 52 x 27 mm Capacidade: 4000 mah Voltagem: 4 S / 14,8 v Descarga: 20 C RÁDIO TURNING 9X TRANSMISSOR 9CH W / MÓDULO & RECEIVER 8CH Número de canais: 8ch ppm / 9 ch pcm Display: 128* 64 lcd Parâmetros: Subtrim Interface de simulação Campainha Indicador de tensão PLACA MULTIW II CONTROLADORA FLIGHT CONTROL BOARD V1O MWC SE Peso: 9,6 g Dimensões: 35 x 35 mm Altura: 11,6 mm Parâmetros: 6 canais de entrada RX Até 8 eixos de saídas para motores 2 saídas para servos de pitch e sistema gimbal Saída de servo para acionamento de câmera Microcontrolador: ATmega 328p Giroscópio: ITG3205 MEMS 3 eixos Acelerômetro: BMA180 Magnetômetro: HMC5883L 3 eixos digitais Barômetro digital: BMP085 Modos de voo: Básicos: Acro / Nível / Segure Alt / Bloqueio de cabeça Opcional: Head free / Espera GPS / Retorne via GPS 6.3 Procedimento de montagem e protótipos/finalidade Dando segmento ao estudo a montagem dos protótipos foi realizada por dois alunos colaboradores responsáveis pelo estudo da estrutura mecânica os quais passaram previamente por uma série de formações em técnicas de eletromecânica, soldagem e segurança elétrica. As etapas gerais podem ser resumidas elo quadro a seguir: Mostra Nacional de Robótica (MNR)

5 TEMPO EM MINUTOS Etapa 1 Etapa 2 Carcará VI Estudo da influência do centro gravitacionalponto de equilíbrio Estudo da arquitetura e funcionamento dos VANTS VTOL Elaboração de protótipo virtual em software 3D Etapa 3 Etapa 4 Carcará VII Estudo dos sistemas de monitoramento Carcará VIII Carenagem de proteção de propelentes Resistencia aerodinâmica Construção e testes de operacionalização Testes de aplicações e resposta de sistemas Abaixo segue os principais protótipos construídos e suas respectivas finalidade frente o presente estudo Carcará I Frame comercial Estudo do sistema de voo hexacóptero Carcará II Frame comercial Estudo do sistema de voo quadricóptero Carcará III Frame em perfil de alumínio com carenagem de proteção dos sensores. Estudo das interferências sobre a placa controladora Carcará IV Interface comercial Elaboração e estudo de sistemas de trem de pouso 7 RESULTADOS E DISCUSSÃO Utilizando os materiais especificados pôde-se construir uma linha de protótipos capaz de responder aos comandos de uma estação de controle bem como realizar a autoestabilização possibilitada pela dinâmica dos sensores descritos. A análise da relação motor-hélices mostra que temos uma diferença de aproximadamente 45% entre o tempo de voo calculado e a média observada experimentalmente o que sugere a necessidade de reelaboração da carenagem de tal forma a diminuir mais ainda a carga contra-empuxo do equipamento bem como utilizar motores de menor associados a hélices de menor dimensão bem como utilizar uma bateria com maior taxa de descarga (6000mAh), o que permitiria uma experiência de voo bem mais longa. Tempo de voo calculado Sem hélices Hélices 8' x 4,5 Hélices 10' x 4, Motor 1000 Motor 1200 Sem hélices 13,2 10,15 Hélices 8' x 4,5 7,33 8,25 Hélices 10' x 4,5 5,73 6,6 Carcará V Estudo de combinação motor-hélices Mostra Nacional de Robótica (MNR) 5

6 TEMPO EM MINUTOS Tempo de voo experimental Sem hélices Hélices 8' x 4,5 Hélices 10' x 4, Motor 1000 Motor 1200 Sem hélices 13,2 10,15 Hélices 8' x 4,5 4,0315 4,5375 Hélices 10' x 4,5 3,1515 3,63 Os resultados qualitativos expostos a seguir demostram que em termos de sensoriamento com a utilização de sistemas de transmissão de imagens é preferencial a utilização de motores de menor bem como hélices de menor diâmetro, o que implicará necessariamente em um maior consumo e consequentemente a utilização de uma estrutura bem mais leve juntamente a baterias de alta taxa de descarga. Estabilidade e sensoriamento 8 CONCLUSÕES Pôde-se construir uma linha de protótipos capazes de responder a comandos de um radiocontrole e realizar a autoestabilização possibilitada pela dinâmica sensorial; Confirma-se as hipóteses lançadas tendo em vista que uma pequena variação no dimensionamento dos propelentes ou na razão velocidade/tensão dos motores já causam respostas significativas em termos de comparação funcional do equipamento; Para aplicação em atividades de sensoriamento com sistema de imagem se indica portanto a utilização de equipamentos com motores de alto torque, propelentes de menor dimensão, carenagem em material leve e baterias de alta taxa de descarga. O estudo sobre as aplicabilidades tem demonstrado que este tipo de VANT apresenta potencial considerável em aplicações nos mais diversos segmentos, inclusive os propostos neste projeto. O mercado nacional apresenta grande carência no fornecimento de equipamentos deste porte tendo em vista que os principais fornecedores são internacionais o que sugere o potencial empreendedor da indústria neste segmento aqui no Brasil; As peças utilizadas permitiram a construção de uma série de protótipos de confiabilidade experimental que, apesar de apresentar determinada estabilidade, ainda assim não pode ser utilizada em campo aberto o que sugere a utilização de peças mais elaboradas para um trabalho externo. Motor 1000 Hélices 8' x 4,5 Motor 1200 Hélices 8' x 4,5 Estabilidade 80 pts 50 pts Tempo de resposta 70 pts 95 pts Payload 80 (x10g) 60 (x10g) Autonomia 55 (% do calculado) 53 (% do calculado) Qualidade de imagem 65 pts 50 pts Em relação a instabilidade de voo percebidas em alguns protótipos percebe-se que este fato se deve a algumas variáveis as quais devem ser consideradas como por exemplo: Qualidade de imagem Autonomia Estabilidade Vibrações na carenagem que devem ser amenizadas (pois as mesmas influenciam nos sensores); Aerodinâmica desfavorável em algumas aplicações. Com a revisão do protótipo acerca das variáveis acima descritas espera-se que o voo apresente-se bem mais estável possibilitando assim a aplicação do veículo em diversos setores destacando-se entre eles a da filmagem e fotografia aérea área a qual pretende-se focar nas próximas oportunidades de continuidade deste projeto. Mostra Nacional de Robótica (MNR) Tempo de resposta Payload Motor Hélices 8' x 4,5 Motor Hélices 8' x 4,5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CELESTE,W.C. Montagem e Teste de Inclinômetros Microprocessadores Utilizando Acelerômetros Baseados em Tecnologia MEMS Universidade Federal do Espirito Santo, Vitória. 2002; COSTA, S. E. A. PEREIRA DA Controlo e Simulação de um Quadrirotor Convencional Instituto Superior Técnico Universidade Técnica de Lisboa FILHO, G. L. SILVA; RUDIGER, G. TEIXEIRA; NACIMENTO, J. P. MORAIS DO Quadricóptero Universidade Tecnológica Federal do Pará MELO, A. S. Implementação de um Quadrirotor como plataforma de desenvolvimento para Algoritmos de Controle Universidade Federal do Espírito Santo MELO, A. S. DE; SALLES, O. TEATINI; ALMEIDA, A. R. DE Implementação De Uma Aeronave Miniatura Semi- Autônoma Com Quatro Propulsores Como Plataforma De Desenvolvimento XVIII Congresso Brasileiro de Automática ORSAG,M.; POROPAT,M.; BOGDAN,S. Hybrid Fly-by-Wire Quadrotor Controller - Faculty of Electrical Engineering and Computing, University of Zagred. 2010; OLIVEIRA,F.F. Controle de Velocidade de Motor Brushless DC Universidade Luterana do Brasil, Canoas. 2008; POUNDS,P.; MAHONY,R.; CORKE,P. Modelling and Control of a Quadrotor Robot - Australian National University. 2009