Construa um drone “do zero”! – Parte 5 – Controladora de voo

On 27 de janeiro de 2017 by Fernando Fernandes

Controladores de Voo

Placa controladora de voo

Destaque controladora de voo.

Sem uma placa controladora de voo, pilotar um quadricóptero seria extremamente difícil. As placas controladoras de voo mais completas têm giroscópios, acelerômetros e outros sensores, que permitem manter o quadricóptero estável, mesmo diante de oscilações provocadas por eventos externos, como o vento, por exemplo. Sem as informações obtidas desses sensores como parâmetros para a controladora, o veículo ficaria,  literalmente, fora de controle. Alguns sensores adicionais podem ser incluídos, como barômetros e magnetômetros. Outro dispositivo presente em quase todos os drones é o módulo de GPS.

IMU – Inertial Measurement Unit

A Unidade de Medida Inercial é um dispositivo eletrônico, compostos por sensores capazes de medir a velocidade, a orientação e as forças gravitacionais do drone quadricóptero. Essas medidas permitem às placas eletrônicas controladoras calcular as mudanças de velocidade nos motores.

Uma IMU, geralmente, é compostas por acelerômetros e giroscópios de 3 eixos e, por isso, são chamadas de unidades inerciais com 6 graus de liberdade (6DOF IMU). Algumas têm, adicionalmente magnetômetros de 3 eixos, que auxiliam na estabilidade da rotação Yaw, por isso são chamadas de 9DOF IMU.

Os acelerômetros medem a aceleração e a força, portanto percebem as variações na aceleração da gravidade. Como normalmente têm 3 eixos, é possível medir a orientação do equipamento. Já os giroscópios medem a variação da velocidade angular, ou a velocidade de rotação em torno dos 3 eixos.

Acelerômetro 3 eixos

Giroscópio de 3 eixos. mede a aceleração da gravidade.

Giroscópio 3 eixos.

Giroscópio de 3 eixos. Mede a velocidade angular.

Combinar o uso de acelerômetros e giroscópios se faz necessário, porque eles se complementam e permitem uma percepção de orientação mais precisa. Os acelerômetros são mais sensíveis a vibrações (dos motores, por exemplo), por isso, com o auxílio dos giroscópios é possível distinguir movimento e vibração. Por outro lado, os giroscópios tendem a perder a referência inicial de orientação angular, quando volta à sua posição de 0 graus (zeros graus) de inclinação. Por isso a necessidade de se levar em conta os dados dos acelerômetros, a fim de permitir um cálculo mais preciso de orientação.

Os magnetômetros auxiliam na estabilidade do veículo em relação à sua rotação Yaw, que não pode ser medida com precisão pelos acelerômetros. Como os magnetômetros são capazes de medir a direção e a força do campo magnético, os pólos podem ser usados como referência, junto com o valor de velocidade angular (Yaw) medido pelos giroscópios, para calcular essa orientação com maior precisão.

Placas Controladoras

Naze32

Placa controladora de voo Naze32

Existem no mercado uma variedade de placas controladoras de voo, com diferentes níveis de recursos e capacidade de controle sobre o veículo em voo. Você encontra placas de controle de voo especialmente projetadas para quadricópteros e para outros tipos de drones.

É possível também comprar todos os componentes separadamente e montar a sua própria controladora de voo. Nem todas as placas do mercado vêm com sensores inerciais. Nesse caso, é necessário adquirir uma placa com todos os sensores ou adquirir cada um dos sensores e fazer as conexões eletrônicas adequadas.

Sparkfun

Sparkfun

Exemplo de modelo de IMU. Sparkfun 9DOF

O mercado dispõe de placas de sensores inerciais sem e com processador:

Aqui você encontra uma tabela comparativa com diferentes placas controladoras de voo para quadricópteros e multirotores.

Projetos Opensource

Tomemos como exemplo a placa AeroQuad MEGA. Trata-Se de um shield para Arduino  (UNO ou MEGA). Ela vem com um Sparkfun 9DOF soldado à placa.

Outro modelo oriundo de um projeto opensource é a ArduPilot, que dotada de um ATMEGA328, que é o mesmo microcontrolador do Arduino UNO. Como o shield AeroQuad, a ArduPilot não possui sensores inerciais, o que nos obriga a adquirir,  por exemplo, uma ArduIMU, a fim de construir uma verdadeira Controladora de Voo.

A OpenPilot (hoje LibrePilot) é uma alternativa mais avançada, com um processador ARM Cortex-M3 (STM32). Ela inclui um acelerômetro e um giroscópio de 3 eixos. Ao adquirir a placa,  tem-se à disposição um software para PC, que deve ser usado para calibrações e ajuste, ou ainda para definir waypoints, caso o projeto que estamos desenvolvendo inclua um GPS.

Como este é talvez o componente mais importante de drone quadricóptero, falaremos mais sobre os controladores de voo nos próximos artigos.

Referências:

[1]  Build a quadcopter from scratch – hardware overview. Disponível em: https://oscarliang.com/build-a-quadcopter-beginners-tutorial-1/

[2] Overview of quadcopter components – how to select parts. Disponível em: http://www.instructables.com/id/Overview-of-Quadcopter-Components-How-to-Select-Pa/

[3] Best flight controller for quadcopter e multicopter. Disponível em: http://robot-kingdom.com/best-flight-controller-for-quadcopter-and-multicopter/

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