PROJETO DE UM CONTROLADOR EMBARCADO PARA UM QUADRIROTOR

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1 Universidade de Brasília - UnB Faculdade UnB Gama - FGA Engenharia Eletrônica PROJETO DE UM CONTROLADOR EMBARCADO PARA UM QUADRIROTOR Autor: Leonardo Avelino de Lima Jacinto Orientador: Dr. Evandro Leonardo Silva Teixeira Brasília, DF 2016

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3 Leonardo Avelino de Lima Jacinto PROJETO DE UM CONTROLADOR EMBARCADO PARA UM QUADRIROTOR Monografia submetida ao curso de graduação em (Engenharia Eletrônica) da Universidade de Brasília, como requisito parcial para obtenção do Título de Bacharel em (Engenharia Eletrônica). Universidade de Brasília - UnB Faculdade UnB Gama - FGA Orientador: Dr. Evandro Leonardo Silva Teixeira Brasília, DF 2016

4 Leonardo Avelino de Lima Jacinto PROJETO DE UM CONTROLADOR EMBARCADO PARA UM QUADRI- ROTOR/ Leonardo Avelino de Lima Jacinto. Brasília, DF, p. : il. (algumas color.) ; 30 cm. Orientador: Dr. Evandro Leonardo Silva Teixeira Trabalho de Conclusão de Curso Universidade de Brasília - UnB Faculdade UnB Gama - FGA, quadrirotor. 2. sistemas embarcados. I. Dr. Evandro Leonardo Silva Teixeira. II. Universidade de Brasília. III. Faculdade UnB Gama. IV. PROJETO DE UM CONTROLADOR EMBARCADO PARA UM QUADRIROTOR CDU 02:141:005.6

5 Leonardo Avelino de Lima Jacinto PROJETO DE UM CONTROLADOR EMBARCADO PARA UM QUADRIROTOR Monografia submetida ao curso de graduação em (Engenharia Eletrônica) da Universidade de Brasília, como requisito parcial para obtenção do Título de Bacharel em (Engenharia Eletrônica). Trabalho aprovado. Brasília, DF, 05 de Agosto de 2016: Dr. Evandro Leonardo Silva Teixeira Orientador Dr. Renato Vilela Lopes Convidado 1 Dr. André Murilo de Almeida Pinto Convidado 2 Brasília, DF 2016

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7 Este trabalho é dedicado à minha mãe, Joselene, ao meu pai, Almir, aos meus irmãos Lucas e Luís, e à minha namorada Amanda.

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9 Agradecimentos Agradeço à minha família, meus pais e irmãos, por sempre acreditarem em mim e por todo investimento, carinho e suporte ao longo de todas as etapas da minha vida. Agradeço à minha namorada Amanda, que apesar da distância está sempre me apoiando, respeitando minhas decisões e me incentivando a sempre optar pelas melhores escolhas. Agradeço ao meu tio Marcos, por todos os conselhos desde a infância até a fase adulta, por todo o apoio que precisei para tomar decisões importantes ao longo das etapas vividas. Agradeço aos meus colegas de curso Rafael, Hugo e Paulo, pela amizade e companheirismo durante a minha jornada universitária. Agradeço ao professor Evandro pela oportunidade de trabalhar nesse projeto e por todo o suporte ao longo do processo de aprendizado, e ao professor Sandro, por todos os conselhos e por sua disponibilidade para ajudar os alunos sempre que há necessidade.

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11 Success is not the key to happiness. Hapiness is the key to success. If you love what you are doing, you will be successful. (Albert Schweitzer)

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13 Resumo O presente trabalho aborda o projeto de um controlador embarcado para Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) do tipo quadrirotor. O objetivo é a implementação de modelos de controle de vôo conhecidas, como o controlador PID, em arquiteturas open-source visando um melhor desempenho através da utilização de técnicas para desenvolvimento em sistemas embarcados, como o uso de programação concorrente. A implementação será feita utilizando a placa controladora Pixhawk para total controle de vôo, e também, com esta operando em conjunto com o microcontrolador Raspberry Pi. Uma comparação dos resultados obtidos nos dois casos em relação ao desempenho e tempo de processamento será apresentada, além de uma posterior comparação destes resultados com softwares comerciais existentes no mercado. Ao final, será sugerida a melhor configuração de algoritmo de controle com a arquitetura de hardware em que se obtêm maior velocidade e melhor desempenho, visando uma melhor estabilidade para usuários que desejam aproveitar ao máximo os recursos de processamento. Palavras-chaves: quadrirotor. sistemas embarcados. técnicas de controle.

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15 Abstract This present work addresses the project of an embedded controller for Unmanned Aerial Vehicles (UAV) type quadrotor. The aim of this work is the implementation of known flight control models, like the PID controller, through open-source architectures seeking the best performance using techniques of embedded systems development, like concurrent programming. The implementation will be performed using the Pixhawk flight controller as a full flight controller board, and also, both Pixhawk and the Raspberry Pi microcontroller working together. A comparison of the results obtained from both cases regarding performance and processing time will be presented in addition to a further comparison among these results with existing commercial softwares in the market. Lastly, the best control algorithm is suggested along with the best hardware architecture in which the best performance and speed are achieved, seeking a better stability for users who want to take full advantage of the processing resources. Key-words: quadrotor. embedded systems. control techniques.

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17 Lista de ilustrações Figura 1 Cálculo para as aplicações comerciais de VANTs Figura 2 Drone comercial da empresa 3DR Figura 3 Sentido de rotação Figura 4 Sistema de coordenadas Figura 5 Movimentação do quadrirotor: (a)throttle; (b)roll; (c)pitch e (d)yaw. 33 Figura 6 Controlador PID Figura 7 Arquitetura genérica de um quadrirotor Figura 8 Placa controladora Pixhawk Figura 9 Representação da ligação entre motores e ESC à bateria Figura 10 Etapas do estudo Figura 11 Arquitetura do estudo do estudo de caso

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19 Lista de tabelas Tabela 1 Cronograma do Trabalho

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21 Lista de abreviaturas e siglas CPU E/S ESC IMU GPS LQR PID RPi RPM RTOS TCC UAV VANT Central Processing Unit Entrada/Saída Electronic Speed Controller Inertial Measure Unit Global Positioning System Linear Quadratic Regulator Proportional Integral Derivative Raspberry Pi Rotações Por Minuto Real Time Operating System Trabalho de Conclusão de Curso Unmanned Aerial Vehicle Véiculo Aéreo Não-Tripulado

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23 Lista de símbolos θ ψ φ Ângulo de arfagem Ângulo de guinada Ângulo de rolamento

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25 Sumário 1 INTRODUÇÃO Objetivo geral Objetivo específico Estrutura do Trabalho REVISÃO BIBLIOGRÁFICA VANT: Veículo Aéreo Não-Tripulado Quadrirotor Técnicas de controle para quadrirotor Controlador PID Controlador LQR Outras técnicas de controle Arquitetura do quadrirotor Placa controladora de vôo Softwares Sensores Comunicação Motores e ESC Motores ESC Hélices Bateria Sistemas de tempo real METODOLOGIA Etapa 1 - Revisão Bibliográfica Etapa 2 - Ambiente de Desenvolvimento Etapa 3 - Implementação do Modelo de Controle Etapa 4 - Validação do Modelo Etapa 5 - Análise e Discussão dos Resultados ESTUDO DE CASO Caso 1: Pixhawk Caso 2: Pixhawk e Raspberry Pi Cronograma

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27 25 1 Introdução Devido ao avanço da tecnologia na área de robótica e aviação, o uso de Veículos Aéreos Não-Tripulados para diversos propósitos é uma realidade do século XXI. Mesmo que, no início de seu desenvolvimento, os VANTs tenham sido usados para propósitos militares (CHAVES, 2013), atualmente a demanda é bem grande por estes na área cívil. De acordo com a revista Exame, em artigo de 2016, as aplicações para o mercado de VANTS pode chegar a 127 bilhões de doláres. Isto inclui diversas áreas como transporte, infraestrutura, segurança, telecomunicações, agricultura e entretenimento como pode ser visto na Figura 1 1. Figura 1: Cálculo para as aplicações comerciais de VANTs Estes veículos aéreos, que são dividos em duas categorias, quadrirotores e VANT de asa fixa, podem realizar missões de vôo de maneira autônoma atráves de missões pré-programadas ou podem ser controlados por pilotos através do uso de controles via rádio. O que possibilita a execução das missões, é o fato de que eles possuem um sistema computacional que lê o comando dado por um controlador embarcado ou pelo seu piloto via rádio, e executa o movimento. Os sensores dos VANTs são constantemente lidos para que a correção de vôo seja feita em tempo real. Esse termo é usado para denominar sistemas em que o tempo de resposta é pré-determinado, e um não cumprimento do mesmo acarreta em uma falha catastrófica. Devido ao grande crescimento de aplicações para o uso de VANTs, é necessário cada vez mais que técnicas de sistemas embarcados sejam usados nesses sistemas, para 1

28 26 Capítulo 1. Introdução que haja um aprovetamento ótimo dos recursos dos controladores embarcados. Operações de leitura de sensores, acionamento de motores, inversão de matrizes para aplicações de técnicas de controle, além de outras operações, precisam ser executadas ao mesmo tempo que o VANT captura imagens, por exemplo. Desta forma, os algoritmos de controle precisam ser implementado de maneira a obter um máximo desempenho, de maneira que as operações possam ser executadas em paralelo, e que mesmo em situações críticas como no uso intenso de memória ou de CPU, os deadlines sejam cumpridos para que o veículo não perca controle de vôo. A implementação desses algoritmos para ótima qualidade de desempenho a partir de técnicas de controle conhecidas é o objetivo deste trabalho. 1.1 Objetivo geral O objetivo deste trabalho é aplicar as técnicas de controle de quadrirotor existente em uma flight controller, ou controladora de vôo, visando um melhor desempenho e aproveitamento dos recursos da mesma quando comparadas com softwares open-source famosos. Deseja-se testar o uso de diferentes arquiteturas a fim de propor uma melhor combinação de hardware-software para operações em que são exigidos um grande poder de processamento em tempo-real. 1.2 Objetivo específico Este trabalho possui como objetivo específico a implementação de um controlador em linguagem C utilizando linux embarcado modificado para aplicações que exigem tempo-real, ou garantia de cumprimento de deadlines, em microcontrolador. Deseja-se desenvolver toda a comunicação com os periféricos e sensores envolvidos. O quadrirotor deverá estar apto a voar com o controlador embarcado no fim do projeto, e os resultados de desempenho serão avaliados. Um sistema em que diferentes técnicas de controle possam ser escolhidas e programadas com uma simples interface também é de desejo do autor desse trabalho. 1.3 Estrutura do Trabalho O texto deste trabalho foi organizado em quatro capítulos seguidos das referências bibliográficas. A seguir é apresentado um breve resumo do que o leitor pode deverá encontrar em cada um destes capítulos: Capítulo 2: Neste capítulo é abordada a revisão bibliográfica que serviu de base para e execução deste trabalho. Uma introdução aos quadrirotores, além de uma revisão

29 1.3. Estrutura do Trabalho 27 de cada uma das principais partes que compõe este veículo foi elaborada neste capítulo. Técnicas de controle destes, além de modelos já existentes e uma revisão de sistemas de tempo-real são também abordadas. Capítulo 3: Neste capítulo é abordada a metodologia para a execução deste trabalho. Lá é descrito passo a passo os métodos que foram utilizados durante o desenvolvimento deste trabalho, desde a revisão bibliográfica aos testes e análise de resultados. Capítulo 4: O capítulo 4 trata da descrição dos estudos de caso deste trabalho. O primeiro trata-se de uma arquitetura de controle utilizando a placa controladora Pixhawk. Já no segundo caso de estudo, analisa-se a implementação das técnicas de controle utilizando a placa de controle Pixhawk para interação com os dispositivos comunicando-se com o microcontrolador Raspberry Pi, que possui o controlador embarcado.

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31 29 2 Revisão Bibliográfica Esta seção apresenta a importância dos drones no cenário mundial atual, bem como uma revisão de como o drone do tipo quadrirotor - foco deste trabalho - funciona apresentando as características de cada componente do mesmo. Há também diversas menções a modelos de controle, softwares e hardwares já existentes no mercado ao decorrer desta seção. 2.1 VANT: Veículo Aéreo Não-Tripulado Também conhecido como drone e UAV, Unmanned Aerial Vehicle em inglês, VANTs são aeronaves que não possuem passageiros ou pilotos à bordo, sendo operados por pilotos em terra com o uso de controles remotos, por computadores ou podem ser pré-programados para realizar missões. Essas aeronaves vêm em diversos tipos de modelo e tamanho, podendo ter estrutura similares à aviões e helicópteros comerciais tendo asa fixa, hélices ou os dois, e tamanho variando desde poucos centímetros até dezenas de metros de comprimento. Inicialmente, os VANTs foram desenvolvidos com intuito de serem utilizados na área militar. Esses veículos poderiam explorar e até realizar ataques no lugar de naves tripuladas evitando risco de perder soldados. A utilização dessas aeronaves com propósito militar chamou bastante a atenção dos países depois da utilização das mesmas na Guerra do Líbano em 1982 por Israel 1, passando a ser produzidos e utilizados em larga escala por vários paises ao redor do mundo. Porém, nas últimas decadas, o crescimento dessas aeronaves na área cívil e industrial também têm crescido largamente. As pesquisas antes existentes somente para o uso e aperfeiçoamento na área militar está sendo direcionada para diversas áreas como segurança, monitoração, resgate, agricultura, telecomunicações, entretenimento e até, recentemente, o uso no transporte de passageiros 2. Um exemplo de drone comercial para uso na área cívil pode ser visto na Figura 2. De acordo com o relatório The Drones Report da empresa norte-americana de jornalismo Business Insider Intelligence publicado em 2016, o uso de drones para fins cívil/comercial irá crescer à uma taxa composta anual de 19% entre 2015 e 2020 comparado com 5% para fins militares nos Estados Unidos. Além disso, existe uma projeção de lucro com vendas de VANTs de aproximadamente 12 bilhões para

32 30 Capítulo 2. Revisão Bibliográfica Figura 2: Drone comercial da empresa 3DR Por essa razão, o mercado global de VANTs vêm se expandindo rapidamente, atraindo bastante investidores, não só dos Estados Unidos, como de diversos países ao redor do mundo. Somente em 2015, a China por exemplo, recebeu investimentos de aproximadamente 500 milhões de doláres neste setor 3. Já em pesquisas da empresa francesa Delair-Tech, a França teve um crescimento de 1000% no mercado de VANTs nos últimos cinco anos, e conseguiu fundos de investimento de aproximadamente 13 milhões de euros recentemente 4. Rússia, Reino Unido, Israel e Japão estão também entre os países que possuem grandes investimentos nessa área. Já no Brasil, apesar de não existir estatísticas oficiais, existem levantamentos que indicam que há cerca de mais de vinte mil profissionais operando VANTs no território. Incluindo vendas, treinamentos e prestação de serviçõs, há uma estimativa de um mercado de aproximadamente 100 à 200 milhões de reais em 2016, de acordo com a empresa brasileira de comunicação MundoGEO. 2.2 Quadrirotor O quadrirotor, também conhecido como quadrotor ou quadricóptero, é um tipo de helicoptéro que possui quatro rotores, cada um com uma hélice. Embora seu uso tenha começado como aeronaves para passageiros no começo do século XX (SA; CORKE, 2012), hoje em dia o mesmo é usado largamente como Veículo Aéreo Não-Tripulado. Estes veículos estão cada vez mais populares, principalmente devido as avançadas técnicas de controle desenvolvidas, o que possibilita que eles sejam controlados por computadores em terra, por controles de rádio, ou até mesmo fazer vôos autônomos sem a necessidade de

33 2.2. Quadrirotor 31 um piloto. Várias são as aplicações dos quadricópteros nos dias de hoje como a sua utilização na área militar na procura de bombas e identificação de alvos, na área de segurança como monitoramento de propriedades privadas, rastreamento de veículos nas estradas e também monitoramento de cargas. O uso também é bastante frequente para análise da atmosfera para previsão do tempo, detecção de áreas de incêndio e até mesmo para transporte de objetos (KRAJNIK et al., 2011). Uma das vantagens do quadrirotor é que este é um veículo simétrico, sendo simples a sua construção e possui facilidade de manutenção, tudo isso devido ao fato de que este veículo possui os ângulos constantes em suas hélices, evitando-se assim o sistema de variação de ângulos destas que são sistemas mais complexos e menos robustos (MUNOZ, 2012). Possui também algumas vantagens que o VANT de asa fixa não tem como decolagem vertical, maior facilidade de manobra e consegue pairar sob o ar. Além disso, o quadrirotor não precisa de uma área grande para aterrisagem, o que é necessário no caso do drone de asa fixa. As lâminas das hélices do quadrirotor são conectadas nos rotores paralelamente entre si, fixando-as de maneira a obter uma estrutura rígida, permitindo que a única coisa que possa ser variada seja a velocidade de rotação das mesmas (BRESCIANI, 2008). Ao variar a velocidade, os rotores geram a propulsão necessária para a estrutura poder voar. A mecânica do vôo de um quadrirotor é possível graças aos diferentes sentidos de rotação de seus rotores como poder ser visto na Figura 3. Neste exemplo de configuração, a rotação das hélices 1 e 3 movem-se no sentido horário, ao passo que as hélices 2 e 4 são rotacionadas no sentido anti-horário. Figura 3: Sentido de rotação Para modelar essa movimentação, utiliza-se do sistema de coordenadas mostrado na Figura 4. Os ângulos responsáveis pelos movimentos desse VANT são conhecidos como ângulos de Euler: o ângulo de rolamento φ, o ângulo de arfagem θ e o ângulo de guinada ψ (do inglês medição angular RPY : roll, pitch e yaw).

34 32 Capítulo 2. Revisão Bibliográfica Figura 4: Sistema de coordenadas Tendo como referência esse sistema de coordenadas, existem quatro movimentos básicos que permitem o quadricóptero atingir uma determinada posição e altitude, e eles estão representados na Figura 5. O primeiro deles é o movimento de throttle, que não é nada mais que o movimento de subida ou descida. Para esse movimento occorer todos os rotores devem aumentar ou diminuir a rotação na mesma proporção. O segundo movimento é o de variação no eixo transversal do drone (ângulo de rolamento), que é possibilitado alterando-se a velocidade de um dos rotores que giram no sentido horário. O terceiro tipo de movimento, de variação no eixo longitudinal (ângulo de arfagem), é bem similar ao de segundo tipo, e deve ser efetuado alterando-se a velocidade de um dos rotores que estão rotacionando no sentido anti-horário. Por fim, o último movimento é o que altera o ângulo de guinada. Para efetuá-lo, a velocidade das hélices que giram no sentido horário deve ser aumentada ou diminuida, ao passo que a velocidade das hélices que giram no sentido oposto deve ser diminuída ou aumentada, sempre de maneira contrária às outras hélices Técnicas de controle para quadrirotor Para que o quadrirotor possa voar de maneira adequada, existe a necessidade de um controle das suas variáveis através de algoritmos computacionais. Quando um comando é enviado do transmissor (piloto) para que ocorra um certo tipo de movimento, o sistema

35 2.2. Quadrirotor 33 Figura 5: Movimentação do quadrirotor: (a)throttle; (b)roll; (c)pitch e (d)yaw deve ler esse sinal e modificar a rotação dos motores com a precisão necessária para que o movimento seja de acordo com o esperado. O controlador deve estar calibrado para executar os seus passos no tempo correto e erro minimizado, caso contrário o vôo do quadricóptero estará comprometido. Apesar do quadrirotor possuir uma mecânica simples quando comparada com outros veículos aéreos, seu controle não é tão trivial devido a imprecisão do seu modelo dinâmico por ser um sistema sub-atuado, e a não-linearidade do seu modelo matemático (ZULU; JOHN, 2014). Sendo assim, teorias de sistemas de controle são bastante utilizadas na elaboração dos algoritmos de análise e controle para o quadrirotor. Existem vários tipos de algoritmos utilizados hoje em dia para o controle do quadrirotor, cada um com suas vantagens e desvantagens. Algumas das características mais importantes que devem ser levadas em consideração para a escolha adequada da técnica de controle são: Robustez Adaptação Otimização Inteligência Capacidade de rastreamento Rápida convergência/resposta Precisão Simplicidade

36 34 Capítulo 2. Revisão Bibliográfica Rejeição às pertubações Tratamentro de parâmetros não-modelados Sintonização manual Ruído Tratamentro de parâmetros não-modelados Vibração/Perda de energia Obviamente não é possível desenvolver um algoritmo que possua uma excelente solução para todos esses parâmetros, portanto deve ser feita a escolha dos parâmetros mais importantes a serem otimizados levando em conta a aplicação do sistema a ser construído Controlador PID Uma das técnicas de controle mais utlizadas na indústria é o controlador PID (Proportional Integral Derivative) devido a sua estrutura e sintonia simplificada. Esta técnica consiste em estimar uma diferença de erro - através do seu mecanismo de controle com realimentação - através da diferença entre o ponto em que o sistema está atualmente e o ponto desejado, e assim ajustar esse erro alterando as entradas de controle (atuadores) (KHATOON; GUPTA; DAS, 2014), como pode ser visto na Figura 6. Figura 6: Controlador PID Os três diferentes parâmetros envolvidos nesta técnica - P, I e D - são descritos em termos do tempo, sendo o erro presente dependendente de P, o erro passado dependente de I e o erro futuro dependente de D. O termo P, também chamado de coeficiente de ganho proporcional, é o parâmetro mais importante pois seu valor determinará quão reativo será o quadrirotor à variações, através das medições da diferença entre a posição desejada e a posição atual. Já o parâmetro I, conhecido como o termo integral, é importante para tornar o sistema mais preciso devido ao erro passado acumulado. Por fim, o parâmetro

37 2.3. Arquitetura do quadrirotor 35 derivativo, D, faz com que o sistema aumente a velocidade de reação de acordo com a taxa de variação do erro. Este controlador deve ser aplicado para cada eixo do sistema de coordenadas. Os ângulos de Euler são usados como realimentação do sistema que servem como posição atual, ao passo que as entradas são fornecidas pelo piloto, seja automático ou não. Os parâmetros de ganho são ajustados de acordo com o tipo de movimento que se deseja, há algumas técnicas por exemplo, que não utiliza o ganho D para o controle Controlador LQR A técnica de controle LQR, (Linear Quadratic Regulator), é também uma técnica bastante usada devido à sua implementação facilitada. Ela consiste em operar o sistema dinâmico através da minimização de um função de custo. Para que seja possível a execução desta técnica as equações do movimento do quadricóptero devem estar linearizadas. (COSTA, 2008) Este tipo de controlador costuma ser aplicado em modelos completos para a dinâmica do movimento, em comparação ao PID que normalmente é usado em modelos mais simplificados. Por esse motivo, o controlador LQR possui como característica uma melhor perfomance no controle do quadrirotor, porém a sua sintonia - tunning - é mais complexa de ser ajustada. Esta técnica costuma ser combinada com filtro de Kalman, usada para fusão sensorial, tornando-a ainda mais robusta Outras técnicas de controle Existem outras técnicas bastante conhecidas para controle de quadrirotores como controle Backstepping. Esta se baseia na quebra do algoritmo do controlador em estágios, seguida de uma estabalização progressiva de cada subsistema resultante. Este controlador possui uma boa capacidade de lidar com turbulências e possui uma reduzido usado de recursos computacionais devido a rápida convergência dos algoritmos. Há várias outras técnicas como H( ) não-linear, controle por linearização da realimentação e controle SMC Sliding Mode Control. Há ainda algumas que combinam diferentes técnicas como algoritmos de controle adaptivo e algoritmos de controle óptimo, para resolver determinados problemas, ou propor melhores soluções. 2.3 Arquitetura do quadrirotor A arquitetura geral de um quadrirotor consiste em um bloco central responsável pelo processamento de dados, comunicação e navegação conectado aos blocos dos motores

38 36 Capítulo 2. Revisão Bibliográfica representado na Figura 7. O bloco central possui geralmente uma placa principal controladora de vôo que contêm um microcontrolador, pinos de E/S e os sensores principais responsáveis pela Unidade de Medidas Inerciais ou Inertial Measure Unit (IMU). Os sensores principais da placa são: Girômetro Acelerômetro Barômetro GPS Porém a maioria das arquiteturas para quadricópteros dos dias de hoje incluem alguns outros sensores auxiliares, como magnetômetro e sonar. Figura 7: Arquitetura genérica de um quadrirotor Os pinos de E/S do microcontrolador são as saídas do bloco principal que conectamse aos blocos dos motores. Estes contêm os controladores dos motores chamados de ESCs (Electronic Speed Controls) conectados aos motores das hélices. Os pinos conectam-se também ao receptor de radio frequência, necessário para navegação, e aos demais módulos e sensores complementares do sistema Placa controladora de vôo A placa controladora de vôo, ou Flight Controller, é basicamente o cerébro do quadrirotor. Ela é responsável por avaliar a performance do sistema através da leitura dos sensores executada centenas de vezes por segundo, e então executar micro ajustes que são necessários em cada motor para manter o quadricóptero estável. Todo placa controladora de vôo principal contêm o microcontrolador responsável pelas operações em tempo real de leitura dos sensores e envio de comando para os respectivos motores. Essa placa possui, geralmente, além do microcontrolador, os sensores das IMU, demais circuitos para comunicação e barramento de dados.

39 2.3. Arquitetura do quadrirotor 37 Existem diversas modelos no mercado, que são projetadas já com diversos componentes integrados como os sensores girômetros, acelerômetros, barômetros e GPS, além de circuitos de comunicação, antenas e transceptores. Essas placas controladoras são escolhidas de acordo com a aplicação do quadrirotor, pois cada uma tem especificação de hardware e software difrente, resultando em diferentes características de vôo. Existem aplicações que necessitam, por exemplo, de muita memória para processamento, como aquelas que usam algoritmos de visão computacional, outras que necessitam de um alta memória de barramento para acessar múltiplos dispositivos simultâneamente, outras que possuem componentes de ajuste de ganhos de controle manuais. Entre as controladoras de vôo existente no mercado, existem as open-source, as quais qualquer usuário pode fazer o download dos arquivos fontes dos algoritmos de controle e modificá-los da maneira que achar conveniente, e existem também as que são closed-source, as quais o sistema são propriedade dos seus criadores e os usuários não podem modificá-los. (LIM et al., 2012) fez um levantamento das placas controladores de vôo opensource com base no volume de usuários e quão ativo está o projeto na comunidade. Com base nisso, ele fez um ranking das mais relevantes que são: Arducopter: baseado na plataforma Arduino e desenvolvido por engenheiros individuais ao redor do mundo, fornece software com interface gráfica que exibe informações de vôo e ajuste de ganhos para o controlador. Openpilot: utiliza licensa GPL - General Public License - e o seu sistema possui um RTOS modificado do FreeRTOS. Software com interface gŕafica é fornecido para ajuste de ganhos e recebimento de dados de vôo. Paparazzi: é um sistema de piloto automático desenvolvido para diversos tipos de VANT, com licensa GPL. Fornece software com interface gráfica para planejar missões de vôo. Pixhawk (Figura 8 5 ): sistema de piloto automático que possui algoritmos desenvolvidos para pilotagem através de imagens, e está sob licensa GPL. Fornece software com interface gráfica. Mikrokopter: sistema de piloto automático desenvolvido para quadrirotores. Fornece software com interface gráfica com ajustes de ganho para o controlador e monitoração de bateria. KKmulticopter: sistema de piloto automático simples contendo um microcontrolador de 8 bits e um girômetro para cada eixo. Não fornece software. 5 Adaptada de

40 38 Capítulo 2. Revisão Bibliográfica Multiwii: sistema de piloto automático para quadrirotores que utiliza o arduino como processador, e sensores que variam de acordo com o modelo. Está sob licensa GPL e é fornecido software com interface gráfica. Aeroquad: baseado em Arduino, é também um sistema de piloto automático desenvolvido para quadrirotores, e fornece software com interface gráfica. Figura 8: Placa controladora Pixhawk. Existem diversos outros modelos porém, que pequenos grupos desenvolvem baseados em plataformas open-source como Arduino e adicionam dispositivos necessários de acordo com a necessidade da aplicação a ser desenvolvida Softwares A maioria das placas de controle de vôo modernas oferecem um software com interface gráfica para computadores, tablets e smartphones. Esses softwares permitem que os usuários modifiquem os ganhos de controle e controle as demais configurações de vôo do quadrirotor e de comunicação com o mesmo. Alguns deles permitem também a criação de missões de vôo, que possibilta que o quadricóptero execute uma missão totalmente autônoma. A maioria dos softwares existentes oferecem suporte a USB, bluetooth, wi-fi e comunicação via rádio Sensores Diversos tipos de sensores são empregados na construção de um quadricoptéro moderno, porém alguns possuem importância vital para um correto funcionamento do mesmo.

41 2.3. Arquitetura do quadrirotor 39 O girômetro é um sensor de extrema importância para o funcionamento do sistema, pois este é responsável pelas medidas de variação na velocidade angular. Sua utilização é necessária para detectar as mudanças nas rotações nos parâmetros de Roll, Pitch e Yaw, então utiliza-se três girômetros, um para cada eixo do sistema. Assim como o girômetro, o acelerômetro é fundamental pois detecta o grau de variação da aceleração ao longo de eixo. Portanto, existe a necessidade de se utilizar um em cada eixo. Essa combinação de três girômetros e três acelerômetros forma o IMU que é uma unidade que fornece as acelerações lineares ao longo dos eixos x, y e z, e as acelerações angulares em torno deles. O barômetro é um outro sensor de bastante importância, pois este mede a pressão atmosférica que é frequentemente convertida na altitude, assim é possível saber quão alto o sistema está localizado. De modo geral o quadrirotor consegue se estabilizar muito bem com os sensores girômetro, acelerômetro e barômetro. Esses três fornece todos os dados que a controladora de vôo precisa para manter o sistema estável. Porém existem sensores adicionais que podem ser utilizados para adiconarem funcionalidades mais avançadas. Existem o magnetômetro e o sonar, por exemplo, que são sensores auxiliares para obter-se uma melhor referência para estabilidade no vôo do quadrirotor. O primeiro detecta as direções dos eixos x, y e z através da medição da intensidade do campo magnético. O segundo mede a distância, o que permite obter informações de altitude conhecendo-se a atitude do quadrirotor. Há ainda o sensor GPS que indica a posição global vista por satélite, sensores de flux óptico que é uma que fornece a velocidade, e sensores de velocidade de ar, além de diversos outros que auxiliam tarefas de visão computacional e inteligência artificial Comunicação Há bastante troca de informação durante o vôo do quadrirotor. Sensores estão sendo lidos a todo instante, e informações sendo trocada entre os periféricos, portanto diversos tipos de protocolos são utilizados, dependendo da velocidade necessária. A comunicação serial entre os dispositivos controladores é uma das mais usadas devido a sua velocidade e facilidade de configuração. Já para transmissão de dados a longa distância por conexões sem fio, transmissores e receptores de radio frequência são utilizados para transmitir sinais de um controle de um piloto para o microcontrolador do quadrirotor. O piloto envia pulsos PWM ou PPM à uma determinada frequência ao mexer no controle, que é interpretado atráves do receptores de sinais de radio contidos na placa principal, que identificam qual o tipo de movimento e qual a amplitude de acordo com a largura dos pulsos enviados.

42 40 Capítulo 2. Revisão Bibliográfica O quadrirotror pode possuir, também, antenas dedicadas a comunicação com um computador em terra, para controle de vôo do mesmo e monitoração das informações em tempo real, obtendo-se assim uma maior segurança contra falhas futuras que podem acontecer. Transceptores de alta frequência como Xbee são utilizados para esse propósito Motores e ESC Para garantir que o quadricóptero possua uma boa performance na hora do vôo, a escolha de motores que possam fornecer a propulsão necessária para erguer a estrutura, e ESCs que possam fornecer uma corrente necessária com baixo consumo de energia são fundamentais. Esta seção discute um pouco dos tipos de motores e ESC mais usados para a construção do quadrirotor. A Figura 9 6 ilustra a ligação destes componentes à bateria. Figura 9: Representação da ligação entre motores e ESC à bateria Motores Motores brushless DC, ou motores de corrente contínua sem escovas são utilizados em quadrirotores devido a sua maior durabilidade, eficiência e reduzida necessidade de manutenção quando comparado com os motores de escova (brushed motors). 6 Adaptada de

43 2.3. Arquitetura do quadrirotor 41 Os principais fatores que devem ser conhecidos para a correta escolha do motor são a tensão, corrente, propulsão, potência, eficiência e velocidade. Portanto deve-se saber qual o peso da estrutura que irá voar para que os motores possam trabalhar com uma certa "folga"e não consumam toda a bateria rapidamente. O peso é fundamental para saber também a propulsão necessária para a escolha do motor. Uma fórmula geralmente usada para encontrar a propulsão é necessária é multiplicar o peso total da estrutura por dois, e dividir pelo número de motores (quatro). Os motores brushless são classificados em Kv, unidade de medida que relaciona RPM (K) com a tensão necessária (em Volts). Geralmente motores com elevado Kv são usados em estruturas mais leves, em sistemas que priorizam velocidade ou rápidas acrobacias. Motores com Kv menores são geralmente utilizados em estruturas mais pesadas como quadricópteros que precisam carregar equipamentos de imagem. Os motores também são classificados quanto ao número de pólos que pode variar de dois até quatorze (QUADCOPTERS..., 2015). Motores menores que para quadrirotores mais rápidos possuem menor número de pólos ao passo que motores maiores para carregar estruturas pesadas possuem elevado número de pólos. Uma combinação adequada do motor com o tamanho das hélices a serem utilizadas é fundamental, pois isso influenciará na rotação e, consequentemente, na performance do sistema. É desejável que um motor rápido seja combinado com uma hélice mais curta, e que um motor mais lento que carregue peso seja combinado com uma hélice de maior comprimento ESC Os controladores de velocidade do motor, ou ESCs são importante para uma intermediação entre os sinais de controle recebidos pelo microcontrolador através de ondas PWM ou via radio frequência, e a potência elétrica trifásica de baixa tensão que fornece energia aos motores, vinda da bateria. Os ESCs basicamente converte uma sequência de dados recebidas em sinais de corrente alternada gerados pelo circuito eletrônico que será fornecida aos motores, possibilitando assim a movimentação do quadricóptero. Geralmente, esse componente é classificado de acordo com a corrente máxima o mesmo pode fornecer. Nos modelos mais modernos, existe um microcontrolador embarcado que interpreta as entradas do ESC e elabora o controle de acordo com um software existente. Uma sincronia precisa e tempo de execução são parâmetros muito importantes nesses equipamentos, pois se os atuadores não forem acionados na velocidade adequada, a estabilidade do sistema será comprometida.

44 42 Capítulo 2. Revisão Bibliográfica Hélices As hélices do quadrirotor são componentes vitais do sistema. São necessárias duas hélices que giram no sentido horário e duas que giram no sentido anti-horário para que o vôo seja executado. As hélices são geralmente feitas de diversos materiais, como plástico, fibra de carbono, e madeira, e são geralmente classificadas de acordo com o seu comprimento e o seu passo. Hélices de comprimento menores são geralmente usadas com motores pequenos com grande capacidade de rotação (alto Kv), o que ajuda a obter uma boa performance em velocidade, ao passo que hélices maiores são utilizadas com motores com capacidade de rotação mais baixa, porém aguentam uma carga mais elevada. Já o passo da hélice, que é definido como a distância percorrida por uma revolução completa da hélice, deve ser escolhida tendo conhecimento que um passo menor gera mais torque, possibilitando uma menor utilização dos motores. Isso quer dizer que os motores não utilizarão corrente demasiadamente, o que possibilita um maior tempo de vôo. Por outro lado, uma hélice de passo maior pode se mover mais, porém gera mais torque consumindo mais energia. É importante uma boa combinação desses dois parâmetros na escolha da hélice de acordo com o tipo de aplicação que o quadrirotor irá possuir para garantir uma boa performance Bateria A bateria é a parte responsável por fornecer energia elétrica para alimentar os motores do quadricóptero. As baterias do tipo LiPo (polímero de lítio) são as mais usadas para esse propósito por conseguirem segurar uma maior densidade de energia comparada com outros tipos. De modo geral, as baterias são escolhidas de acordo com a necessidade do motor e a especificação do ESC. O conhecimento da quantidade de corrente que será drenada por vôo é essencial, pois assim uma escolha correta de capacidade de bateria pode ser feita. Os quadrirotores utilizam normalmente uma bateria, porém existem aqueles que utilizam duas para garantir uma melhor segurança caso uma falhe durante a missão, ao preço de um custo mais elevado e maior dificuldade de montagem da estrutura. 2.4 Sistemas de tempo real Para que o sistema de controle do quadrirotor funcione de maneira adequada deve existir uma garantia de entrega de dados no tempo estipulado de acordo com a sua técnica de controle. Os sensores devem ser lidos, seus dados processados, e a rotação dos motores

45 2.4. Sistemas de tempo real 43 deve ser regulada, tudo isso em um tempo determinado conhecido, caso contrário uma falha catastŕofica pode acontecer. Esse tipo de sistema não possui tolerância à atrasos, portanto seu sistema computacional deve ser implementado de maneira que ele possa cumprir os seus deadlines - que é o intervalo de tempo entre a observação do estímulo e a reação do mesmo - até mesmo em condições de sobrecarga. RTOS, ou sistemas operacionais de tempo-real, são usados normalmente usados para controlar o vôo de um quadrirotor. Esses sistemas possuem como característica principal a garantia de que o deadline será cumprido, diferentemente dos sistemas operacionais usados no dia-à-dia, que não proporciona esta garantia, visando apenas uma performance média. Geralmente, um RTOS é projetado para possuir melhor desempenho particular na execução de suas tarefas, para isso, ele conta com um consumo de memória otimizada e um escalonador, parte principal do núcleo do sistema operacional que atribui a sequência de execução das tarefas, com políticas aprimoradas. Os sistemas operacionais de tempo-real possuem também serviços de gerenciamento tarefas, responsáveis por organizar diversas atividades ocorrendo, seja de maneira paralela ou sequencial, tendo em vista o cumprimento da entrega no tempo estipulado e manipulando estas de maneira a evitar disputa por recursos e situações de deadlock. Há ainda outros serviços que um RTOS fornece como temporização de módulos de E/S (entrada/saída), serviço que controla a comunicação do sistema com recursos externos, tratamento de interrupções geradas tanto por software quando por hardware, chamadas do sistema (system calls), necessárias quando os programas precisam que o sistema execute tarefas relacionadas ao hardware, gerenciamento de recursos de modo geral, dentre outras.

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47 45 3 Metodologia Esta seção apresenta a metodologia que foi adotada para o desenvolvimento deste trabalho seguida do detalhamento de cada etapa do processo. O trabalho foi divido em cinco etapas que são: revisão bibliográfica, ambiente de desenvolvimento, implementação do modelo de controle, validação do modelo proposto e análise e discussão dos resultados. A Figura 10, abaixo, apresenta estas etapas em forma esquemática: Figura 10: Etapas do estudo 3.1 Etapa 1 - Revisão Bibliográfica A primeira etapa consiste na revisão bibliográfica de todos os conceitos importantes para a formulação deste trabalho. Ela abrange toda a parte de componentes de quadrirotores, além do funcionamento do mesmo e de técnicas de controle existentes. Esses conceitos são a base para a implementação do controlador nesses veículos, tornando esta etapa, sem dúvidas, uma das mais importantes de todo o trabalho de conclusão de curso.

48 46 Capítulo 3. Metodologia 3.2 Etapa 2 - Ambiente de Desenvolvimento Esta etapa foi sem dúvida uma das mais longas do projeto. Ela consiste no estudo e configuração do ambiente de desenvolvimento do controlador, e para isso, os datasheets do microcontrolador Raspberry Pi, assim como seu sistema operacional com aplicação de tempo-real tiveram de ser cuidadosamente estudados. Além dela, o guia de desenvolvedor da controladora de vôo Pixhawk também foi investigado. 3.3 Etapa 3 - Implementação do Modelo de Controle Esta etapa consiste na implementação das técnicas de controle estudadas. Os modelos já existentes serão implementados nas placas controladoras de võo visando uma performance melhor do que o software nativo das mesmas. 3.4 Etapa 4 - Validação do Modelo Na etapa de validação do modelo, o sistema de controle implementado nas placas controladoras de vôo será submetidos à diversos testes, sendo o final efetuado em vôo real, provando-se que o modelo proposto é, de fato, cabível de ser executado. 3.5 Etapa 5 - Análise e Discussão dos Resultados Por fim, na etapa cinco, é executada uma análise e discussão dos resultados obtidos. Essa etapa conclui o trabalho proposto, realizando uma análise dos resultados obtidos e os resultados esperados, além de uma comparação entre os modelos implementados, e os modelos que já são previamente implementados ao adquirir-se uma das placas de controle já existente no mercado. Uma análise do impacto dessas técnicas implementadas para a literatura é também apresentada.

49 47 4 Estudo de Caso Esta seção apresenta a descrição dos estudos de caso realizados. Dois estudos serão desenvolvidos, sendo que o primeiro trata das técnicas de controle sendo implementadas diretamente na controladora de vôo Pixhawk, arquitetura que irá efetuar todo o controle de vôo do quadrirotor incluindo leitura dos sensores, processamento de dados e acionamento dos atuadores. Já o segundo caso, analisa-se a utilização de um microcontrolador dedicado para o controle, Raspberry Pi, comunicando-se com a controladora de vôo Pixhawk, que será responsável pela leitura dos sensores e atuação do VANT. Por fim é apresentado um cronograma com as datas previstas para entrega de cada uma das etapas. 4.1 Caso 1: Pixhawk A placa controladora de vôo Pixhawk desenvolvida pela empresa multinacional 3D Robotics é um moderno equipamento que oferece um grande suporte para controle de vôo para VANTs. Devido ao fato de possuir uma arquitetura open-source, e possuir um bom suporte para sistema operacional Linux, vários canais de comunicação, além de sensores como acelerômetro, girômetro, magnetômetro e barômetro, essa placa foi escolhida como ponto de partida para a execução deste trabalho. Além de seu processador de 32 bits trabalhando a 187 MHz, um poder de processamento considerável para aplicações de controle de vôo, esta flight controller também possui um sistema operacional nativo chamado NuttX, que é de tempo-real e possui características desejáveis como o gerenciamento de tarefas pelo núcleo, carregamento de módulos, pelo fato de ser totalmente preemptivel, além de outras 1. Todo o ambiente para compilação de softwares para esse sistema operacional é fornecida, portanto essas razões fortaleceram na decisão por essa placa. A implementação da técnica de controle PID juntamente com outra técnica a ser escolhida será efetuada utilizando-se os conceitos de multi-tarefas e paralelismo, comparando com o modelo de execução sequencial. A restrição de tempo adotada será de 30 à 60 milisegundos, valores especificados de acordo com as técnicas de controle. Busca-se, com este estudo de caso, avaliar o tempo de processamento dessa controladora de vôo ao executar cada técnica de controle, com e sem conceitos de paralelismo, com o objetivo de traçar a melhor estratégia para essa arquitetura. A Pixhawk por si só, deve ser capaz de ler os sensores IMU, processar os dados, e realizar o acionamento dos motores de maneira autônoma. 1

50 48 Capítulo 4. Estudo de Caso 4.2 Caso 2: Pixhawk e Raspberry Pi A placa microcontroladora Raspberry Pi, desenvolvida na Inglaterra com propósitos didáticos, possui um processamento de ótima qualidade para o seu tamanho. O modelo RPi 2 B possui um processador de quatro núcleos, memória RAM de um gigabyte e quarenta pinos de E/S. Esta capacidade de processamento torna a mesma uma arquitetura considerada para a execução dos algoritmos de controle do quadrirotor, em conjunto com a textitpixhawk cuja as características são citadas acima no primeiro estudo de caso. Além da qualidade de processamento, pelo fato desse microcontrolador ser opensource e possuir sistema operacional baseado em Linux, existe uma comunidade por trás da mesma, a qual desenvolve funcionalidades para a mesma a todo tempo. Um exemplo disso, é o framework Xenomai, desenvolvido para ambiente Linux, que permite que o sistema operacional possua aplicações de tempo-real. Essa ferramenta deve ser compilada juntamente com o kernel, ou núcleo, do sistema operacional da Raspberry Pi. Busca-se neste estudo de caso, implementar as técnicas de controle na Raspberry Pi, e esta, irá se comunicar com a Pixhawk que executará a parte de leitura de sensores, e ativação dos motores. A protocolo de comunicação será via serial. Os conceitos de paralelismo serão também implementados, visando-se um melhor desempenho. Deseja-se verificar as vantagens computacionais em utilizar essa configuração em que existe um processador dedicado para o algoritmo de controle, e um dedicado para leitura de informação (sensores) e para a interface com os dispositivos externos (motores). A Figura 11 ilustra o estudo de caso proposto. O tempo de resposta será verificado para que a restrição adotada de 30 à 60 milisegundos seja garantida. Figura 11: Arquitetura do estudo do estudo de caso 2

51 4.3. Cronograma Cronograma O cronograma desse trabalho pode ser visualizado na Tabela 4.3. Para a entrega do TCC 1 foram realizadas a escolha do tema, revisão bibliográfica e preparação do ambiente da Raspberry Pi. O motivo de ter-se preparado o ambiente da RPi primeiro, ainda que a Pixhawk seja mais importante nesse trabalho, foi devido ao fato de que, inicialmente, somente aquela seria usada para implementar toda o controle do motor e interação com sensores e demais dispositivos. Entretanto, devido ao curto prazo de execução deste trabalho, no fim do TCC 1 optou-se por adotar uma arquitetura com sensores integrados, e com maior suporte quando o assunto é controle de vôo, já que a Pixhawk foi desenvolvida para este propósito. Já para o TCC 2, será feita a ambientação da Pixhawk, implementação dos estudos de caso, verificação dos resultados em softwares de simulação a serem definidos, e por fim, testes de vôo para validar o trabalho. Período 1 o /2016 Jul/2016 Ago/2016 Set/2016 Out/2016 Nov/2016 Escolha do tema Revisão Bibliográfica Ambientação Raspberry Pi Entrega TCC 1 Ambientação Pixhawk Implementação Caso 1 Implementação Caso 2 Verificação de resultados Teste dos casos em Vôo Entrega TCC 2 Tabela 1: Cronograma do Trabalho