AUTOMAÇÃO DE VÔO E CALIBRAÇÃO DE SENSORES E CONTROLADORES PARA UM DRONE DE BAIXO CUSTO

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1 AUTOMAÇÃO DE VÔO E CALIBRAÇÃO DE SENSORES E CONTROLADORES PARA UM DRONE DE BAIXO CUSTO André Almeida Santos 1, Vitor Campos Cardoso 1, Luis Paulo da Silva Carvalho 2 1 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA (IFBA) Av. Amazonas, nº 3.150, bairro Zabelê Vitória da Conquista - BA 2 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA (IFBA) Av. Amazonas, nº 3.150, bairro Zabelê Vitória da Conquista - BA Resumo: O uso de drones tem ganhado importância e essa tecnologia tem se mostrado útil em várias aplicações e áreas. Com sistemas de automação de voo complexos e bem desenvolvidos, esses veículos não tripulados ganham cada vez mais espaço por enriquecer a realização de atividades que englobam deste fotografia até monitoramento e segurança. Baseado no fato de que a maioria dos drones possuem um alto custo de fabricação, a utilização de sistemas de código aberto e tecnologias mais baratas, aliados a um veículo estável e seguro, podem trazer boas contribuições para quem precisa fazer uso desses aparelhos de forma mais econômica ou mais simples. O presente trabalho apresenta a proposta de construção de um drone de baixo custo utilizando um sistema de código aberto, Multiwii, e a possibilidade de controle do veículo utilizando um sistema de comunicação desenvolvido especialmente para ele, além dos esforços realizados para sua calibração e estabilização. Palavras Chaves: Drone, Automação, Sensores, Multiwii. Abstract: Drones have increasingly gained public attention lately and they have been used for many purposes. Provided that they rely on complex flight controlling systems they can be easily applied in the performing of a varied set of tasks, from photography to security. Considering the fact that most automated drones are usually expensive, attempts to use opensource platforms, while enabling stable and safe flights, may contribute in the making of low-cost drones. This paper shows the construction of a popularly priced drone based on an adequate controlling system. Moreover, it is shown how it was calibrated and stabilized. Keywords: Drone, Automation, Sensors, Multiwii. 1 INTRODUÇÃO Utilizados inicialmente para fins militares, os drones vem obtendo destaque e já começam a fazer parte do uso civil sendo empregada em vários ramos de atividade humana, como, por exemplo, a agricultura, a segurança pública, a obtenção de filmagens entre outras atividades. Por conta das variadas tecnologias empregadas em sua construção, e das suas várias aplicações, esses veículos se tornam, cada vez mais frequentemente, objetos de pesquisa e desenvolvimento. Tal tecnologia conta com a integração de sistemas eletrônicos embarcados com o objetivo de realizar a estabilização de voos. Baseados em modelos aéreos tripulados, há vários modelos de drones que possuem características específicas para certas atividades. Um modelo bastante utilizado é o drone VTOL (Vertical Take-Off andlanding) que significa decolagem e aterrissagem vertical. Segundo GUIMARÃES (2012), os drones possuem uma alta manobrabilidade quando comparados às aeronaves de asas fixas, além de possuírem a capacidade de pairar. Neste modelo os mais difundidos são os quadricópteros ou quadrirrotores, drones com quatro motores de propulsão. Por serem controlados remotamente, uma parte essencial em sua fabricação é o sistema de comunicação, responsável pela transmissão de dados de maneira segura. O objetivo deste trabalho é desenvolver um drone estável (Figura 1) e um sistema de comunicação, ambos de baixo custo. Com relação a estrutura física, optou-se por utilizar sucata para montagem do frame, já quanto ao sistema de comunicação, a solução encontrada foi utilizar módulos de rádio-frequência para a transmissão compactada dos dados. Através de uma plataforma de prototipagem eletrônica, é possível fazer o gerenciamento dos módulos transmissores e receptores de rádio-frequência de modo a implementar uma configuração de controles de deslocamento no ar sobre uma plataforma de automação de voo. Também foi construída uma base de testes, devido a necessidade de análise da resposta do drone aos comandos, de forma segura, acompanhando cada movimento do quadricóptero. Este artigo encontra-se organizado da seguinte forma: a seção 2 apresenta uma breve explicação do funcionamento de um drone. A seção 3 traz informações sobre o trabalho proposto. A seção 4 descreve os materiais e as tecnologias utilizadas. A seção 5 descreve as etapas no processo de construção do drone. Os resultados obtidos são descritos na seção 6, a as conclusões são apresentadas na seção 7. 2 FUNCIONAMENTO DE UM DRONE Drone é um dos termos usados para se referir a um veículo voador não tripulado, ou toda aeronave sem piloto. Há diversos modelos diferentes, porém um dos mais utilizados são os que possuem quatro motores, sendo mais conhecidos como quadricópteros. De forma geral todo drone possui um sistema de comunicação, um controlador de voo, hélices acopladas amotores, dispositivos controladores de velocidade dos motores, bateria e sensores, Mostra Nacional de Robótica (MNR) 1

2 para informar o nível de inclinação do mesmo. De acordo com essa inclinação ele acelera, ou desacelera, cada motor individualmente para manter o drone nivelado. Segundo PAULA (2012), um quadricoptero tem a capacidade de realizar quatro movimentos básicos, sendo referentes à atitude (arfagem, guinada e rolagem) e altitude. Essas informações de movimentos são passadas através do sistema de comunicação para o controlador de voo que interpreta a informação e informa aos controladoresde velocidade dos motores a potência necessária que cada um deve receber, fazendo, assim, o controle de rotaçãode forma individual, pois cada motor é acoplado a um controlador separado.o conjunto destes elementos formam a base de qualquer veículo aéreo não tripulado. 3 O TRABALHO PROPOSTO Mediante a popularização de VANT's (Veículos Autônomos Não Tripulados) foi desenvolvido um sistema de controle para drones usando dispositivos de baixo custo. O seguinte trabalho apresenta um modelo de construção de um quadricoptero utilizando sucata, as plataformas de código livre, Arduino e Multiwii, associados a um protocolo de comunicação desenvolvido, que faz uso de um joystick usb e módulos de rádio frequência. A construção do drone se deu em três etapas: (I) Construção da estrutura física, com a montagem do frame utilizando sucata; (II) Desenvolvimento do protocolo de comunicaçao através de uma aplicação C++ para captação do joystick e na plataforma Arduino para transmissão e recepção de dados; (III) Calibragem de sensores e atuadores, e testes de voo. 4.2 Arduino Arduino é uma ferramenta open source que vem sendo utilizada em diferentes projetos do meio acadêmico, caracterizada por ser uma placa microcontroladora baseada no ATMega 328 da família AVR. As placas Arduino utilizadas fazem a leitura de comandos a serem transmitidos através do emissor de rádio frequência e a leitura dos dados captados pelo receptor para serem transmitidos ao MultiWii. 4.3 Sistema de Comunicação O sistema de comunicação foi pensado para ser eficiente, de baixo custo e que fosse capaz de atender todas às necessidades de controle de um drone. Para tal, a solução encontrada foi utilizar módulos de rádio frequência para relizar a comunicação. Na transmissão de dados foi utilizado o módulo TX modelo TXA1-433-F11 (Figura 2) que trabalha com uma frequência de 433,92 MHz. Figura 2: Transmissor. A recepção de dados é feita com um módulo Rx modelo RXA27L-433MHz que pode ser observado na Figura 3. Os links dos datasheets dos módulos citados encontram-se na seção Referências. Figura 1: Drone Marmita. 4 MATERIAIS E TECNOLOGIAS Esta seção apresenta informações sobre todas as tecnologias e materiais utilizados no processo de desenvolvimento e testes do drone. 4.1 Multiwii O MultiWii é um software escrito para estabilizar e controlar diversas aeronaves, a maioria do tipo multirrotor. Trata-se de um projeto de código aberto compatível com a IDE do Arduino e possui também uma GUI (Graphical User Interface) que é um aplicativo baseado em Java. Funciona em qualquer sistema operacional permitindo ao usuário o ajuste de configurações no multirrotor enquanto o Arduino está conectado com o computador via USB. Figura 3: Receptor. No controle do drone foi utilizado um joystick USB, que pode ser manipulado através de um código desenvolvido em C++ e acoplado ao emissor através de um Arduíno Uno. O receptor é gerenciado por um Arduino Mega acoplado ao drone, e capta a informação recebida, passando os dados para o software Multiwii. Na criação do protocolo, um esquema de codificação e decodificação foi desenvolvido para o envio de todas as informações necessárias, de uma vez só, eliminando possíveis atrasos de comunicação. Informações mais detalhadas sobre o protocolo desenvolvido podem ser encontradas no artigo Uma automação para transmissão de comandos para um drone de baixo custo sobre a plataforma Multiwii, escrito com o objeto de tratar da comunicação mais detalhadamente. Mostra Nacional de Robótica (MNR)

3 4.4 Base de testes A base para testes foi construída a partir da necessidade de saber como o drone responde aos comandos e testar toda a calibragem necessária antes do primeiro voo (Figura 5). Com a estrutura de madeira e o uso de elásticos, o drone pode ser fixado na base e permanecer estável ao se realizar os testes de voo, sendo possível analisar a resposta do veículo para cada movimento. Figura 5: Drone na base para testes. A partir da criação da base de testes, o processo de calibração foi dividido em duas partes principais: 5 METODOLOGIA Figura 4: Base de testes. O processo da construção pode ser dividido nas etapas já apresentadas na Seção Etapa 1 O primeiro passo é adquirir os componentes mais críticos que compõem um drone, como motores, ESC's, bateria, hélices e também definir o formato que ele terá. Aqui o drone possui um formato X. Com essas características e componentes definidos o modelo do frame pode ser idealizado. Visando o baixo custo, o frame do drone foi montado com peças sucateadas e uma marmita. 5.2 Etapa 2 Após a idealização e construção do frame o sistema de comunicação foi desenvolvido, com uma sequência de testes até se chegar à um padrão de controle e estabilidade desejado. Nesta etapa testes de transmissão e recepção foram realizados testando a eficiência da comunicação e a resposta apresentada pelo drone. Um vídeo do teste de comunicação entre o controle e o Multiwii pode ser visualizado no link a seguir: ( 5.3 Etapa 3 A etapa 3 é de extrema importância para um bom desempenho de qualquer drone. A calibração correta dos sensores e atuadores deixa o quadricóptero mais estável e seguro para um voo. Neste ponto foi preciso a criação da base de testes, que possibilitou a execução de experimentos com o drone preso até se alcançar uma resposta mais estável(figura 5). Outra alternativa seria o uso de um encoder, para verificar a velocidade de rotação dos motores, permitindo identificar quais deles apresentavam discrepâncias Calibração de ESC's O ESC (Eletronic Speed Control) é o circuito eletrônico responsável pela velocidade de rotação do motor. A depender da informação recebidapelo drone ele envia mais ou menos energia para os motores (Figura 6). Cada ESC precisa ser calibrado manualmente, e como neste projeto não se utiliza um controle de rádio profissional, que possibilita a calibração correta através de comandos simples pelo controle, foi utilizado um código no Arduino para a realização de tal tarefa, sendo possível a calibração através de uma conexão direta entre ESC/motor e o Arduino. Figura 5: Modelo do ESC utilizado no drone Calibração do PID O Multiwii oferece um suporte a um controle de estabilização através do PID (Proporcional Integral Derivativo). Cada termo representa os 3 componentes básicos para estabilizar o multirotor. A componente P foca na correção de erros presentes, a componente I na correção de erros passados, e a componente D na previsão de erros futuros. Ambas trabalham em conjunto na estabilização do multirrotor, através da leitura do ângulo e do tempo de inclinação devido à uma força externa, buscando sempre trazer o drone para sua posição de equilíbrio, e variam para cada um dos 3 eixos de rotação. Para a realização de tal leitura, o Multiwii realiza o gerenciamento dos sensores. No Arduíno Mega foi acoplado um sensor GY-80 (Figura 7) que possui 10 graus de liberdade, incluindo: 3 eixos de giroscópio, 3 eixos de acelerômetro, 3 eixos de magnetômetro (ou bússola) e um sensor de pressão e temperatura. Mostra Nacional de Robótica (MNR) 3

4 Figura 6: Sensor GY-80. Nos testes de voo realizados, primeiramente foi usada a base, verificando a estabilidade do drone e sua resposta aos comandos enviados, testando cada tipo de movimento que podia ser executado individualmente. Após obter resultados próximos do ideal, foi realizado uma sequência de testes em ambiente aberto, sem o apoio da base, mas retornando sempre que necessário para possíveis ajustes. 6 RESULTADOS E DISCUSSÃO Após o desenvolvimento do processo de comunicação, e sua eficiência ser testada várias vezes, como descrito anteriormente na etapa 3, os desafios seguintes se mostraram maiores do que pareciam. De início foi realizado um primeiro testesem uma calibração devidamente verificada. Neste ponto houve algumas falhas que levaram a um acidente não esperado no qual um motor teve seu eixo danificado e uma hélice foi quebrada (Figura 8). O vídeo de primeiro acidente pode ser encontrado no link a seguir: ( Figura 7: Danos refrentes ao primeiro voo. A partir deuma análise mais detalhada sobre o processo de estabilização do drone, chegou-se à novas descobertas e à idealização da base de testes. Com a base pronta foi possível prender o drone, garantindo alguma segurança na execução de movimentos, e verificar o que de fato estava acontecendo ao dar potência aos motores. Observou-se um desequilíbrio totalentre os motores e uma inclinação constante para um lado, sendo possível a identificação da necessidade de calibramento dos ESC's. Após o processo de calibração se chegou a uma estabilidade aparentemente confiável, a qual pode ser vista no vídeo que segue: ( Mostra Nacional de Robótica (MNR) O próximo passo foi a avaliação dos parâmetros do PID, afim de tornar o voo o mais estável possível, iniciando os testes com o drone ainda fixo à base até chegar a um aparente nível de estabilidade, e uma melhor resposta na execução dos movimentos. Foi observado que, à medida que as alterações eram feitas, o drone apresentava uma resposta mais ou menos resistente contra o movimento executado. Isto se deve ao fato do PID atuar diretamente na forma como o quadrirrotor responde ao sofrer uma inclinação. Com essa alteração é possível se ter um drone com movimentos mais controlados, o que é ideal para o desenvolvimento do projeto. O projeto atualmente se encontra nesta etapa, a qual busca encontrar um padrão específico para o equilíbrio do drone. Os testes realizados, após alguns dos fatores já citados serem ajustados, foram mais satisfatórios, sem acidentes e danos de peças, embora o resultado ainda não seja o esperado para a realização de um voo seguro, e podem ser visualizados no link a seguir: ( A Tabela 1, logo abaixo, traz uma síntese dos problemas e soluções encontrados durante o projeto PROBLEMA Tabela 1 - Problemas e soluções. Risco de acidentes em teste Diferença de rotação dos motores Instabilidade na resposta aos comandos 7 CONCLUSÕES SOLUÇÃO Criação da base de testes Calibramento dos ESC's Calibração do PID Propondo a criação de um drone estável e um sistema de comunicação,ambos de baixo custo, o presente trabalho contou com o uso de tecnologias open-source,ferramentas de código livre como o Multiwii earduino, e buscou alternativas mais baratas ao controle de rádio, substituído por um joystick e módulos de transmissão de rádio-frequência, e ao frame, construído a partir de materias reaproveitados. Foram adquiridas experiências positivas ao desenvolver uma base de testes, garantindo a segurança dos membros da equipe na realização do calibramento de sensores e atuadores, entretanto, o conhecimento prévio da opção de calibramento dos ESC's seria determinante no tempo empregado nesta etapa. O desenvolvimento de uma aplicação C++ para uso do joystick foi de extrema importânciana realização deste projeto e envolveu o estudo de transmissão via rádio e deslocamento de bits, integrados à plataforma Arduino. De acordo com o que foi desenvolvido, é possível a adaptação de elementos mais baratos na construção de um objeto mais robusto, como um drone. A tecnologia utilizada também pode ser adaptada para outros trabalhos. Por exemplo, o sistema de comunicação via rádio frequência desenolvido pode ser reutilizado na comunicação entre outros sistemas que tenham uma mesma necessidade. Tem-se como meta continuar o estudo sobre o que afeta o equilíbrio do drone, reavaliando tanto a parte física quanto a parte lógica de processamento, que é fator fundamental para que o trabalho tenha continuidade. A resolução desses problemas deixa o caminho de trabalho livre para novas adaptações e implementações do Drone Marmita.

5 REFERÊNCIASBIBLIOGRÁFICAS GUIMARÃES, J.P.F. (2012). Controle de Altitude e Altitude Para Um Veículo Aéreo do Tipo Quadrirrotor. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. PAULA, J.C. (2012). DESENVOLVIMENTO DE UM VANT DO TIPO QUADRIRROTOR PARA OBTENÇÃO DE IMAGENS AÉREAS EM ALTA DEFINIÇÃO. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal do Paraná. CARVALHO, L. P.; SANTOS, A. A.; CARDOSO, V. C.; SANTOS, E. C. (2015). Uma automação para transmissão de comandos para um drone de baixo custo sobre a plataforma Multiwii. In: ERBASE 2015, Salvador. O que é um drone, como funciona, alcance e tempo de voo Multicopter. Disponível em < nciona> Acesso em: 30/07/2015. TXMODULE MODELNO: TXA1-434-F11. Disponível em: < f_link.pdf > Acesso em:30/07/2015. TX MODULE MODELINO: TXA27L-xxxMHz. Disponível em < ink.pdf>acesso em: 30/07/2015. Multiwii. Disponível em: < Acesso em: 30/07/2015. Arduino. Dsponível em: < Acesso em: 30/07/2015. Mostra Nacional de Robótica (MNR) 5