VANTs e eletrônica embarcada, uma visão geral

Descomplicando a eletrônica dos VANTs

Conhecidos popularmente como drones, os Veículos Aéreos Não-Tripulados (VANT), ou ainda Aeronaves Remotamente Pilotadas (ARP), estas pequenas aeronaves têm despertado grande interesse nos últimos anos, sobretudo devido à sua versatilidade e possiveis aplicações. Por outro lado, estas novas e possíveis aplicações têm, cada vez mais, aproximado a academia, governo,  e indústria na busca da conciliação de aspectos éticos, legais e de privacidade. A definição mais abrangente destes equipamentos é a de todo tipo de aeronave que não possua pilotos humanos embarcados.

Várias classificações de VANT têm sido propostas, sob diversos pontos de vista, tais como operacional, comercial, legal e outros. Uma das mais elementares é, contudo, a classificação baseada na topologia de propulsão. Esta classificação é interessante do ponto de vista da aplicação final do VANT. As mais comuns (e das quais outras derivam-se) são:

  1. Asas rotativas: são as mais populares, cuja principal característica é a sustentação ser gerada de forma total pela propulsão de um sistema de asas rotativas. A maior vantagem desta topologia é a capacidade de decolagem e aterrissagem verticais, além da capacidade de vôo estático, isto é, a permanência em um ponto no espaço (hovering). Tais aeronaves podem ser ainda classificadas como helicópteros (quando há apenas uma hélice) ou multicóptero (quando um conjunto de 3 ou mais hélices são utilizadas). Uma das principais desvantagens deste tipo de aeronave é a autonomia de vôo, uma vez que a sustentação é gerada de forma integral pelos motores;
  2. Asas fixas: São os VANTs do tipo “avião”, em que a maior parte da sustentação é originada da diferença de pressão na superfície da asa fixa. Tais aeronaves são mais estáveis do que as de asas rotativas, além de ter autonomia de vôo muito maior, devido ao menor consumo de energia. Não tem a capacidade, contudo, de permanecer paradas em um único ponto, sendo necessário movimento para frente a fim de gerar sustentação.

Tais aeronaves, como a própria definição indica, não possuem pilotos “humanos” a bordo para a realização de seu controle, devendo o mesmo ser realizado de maneira remota, ou ainda por meio de automatização, em que uma missão pré-programada é utilizada na navegação da aeronave, a qual deverá possuir uma placa controladora para realização da missão.

No caso de um piloto remoto controlando a aeronave, a configuração do controle é mais simples, sendo tipicamente composto de rádio transmissor, motor (es), bateria (ou combustível), e servo-motores (no caso de aeronaves de asas fixas). Esta é uma configuração muito utilizada em aeromodelismo.

Caso se deseje realizar uma determinada operação de forma automatizada, é possível empregar placas conhecidas como piloto-automático, nas quais um determinado trajeto e/ou operação é carregada na memória antes do início do vôo. É importante lembrar que o vôo é automático, e não autônomo, de modo que, por questões de segurança, o piloto remoto deve permanecer na plena capacidade de retomar o controle da aeronave a qualquer tempo.

De forma geral, para que uma determinada operação possa ser realizada de forma automática é necessário que o VANT tenha a capacidade de se localizar, além de conhecer a sua velocidade e orientação no espaço. Tais funções são desempenhadas por sensores conectados à placa de controle automático, de forma a fornecer informações, e propiciar a correção nos erros da trajetória, orientação e velocidade. Os sensores mais utilizados na operação de VANTs com controle automático são:

  1. Acelerômetro e Giroscópio: São sensores inerciais (isto é, baseiam se na inércia de uma minúscula massa dentro do chip) da classe dos MEMS (sistemas microeletromecânicos), e destinam-se a medir a aceleração angular e linear da aeronave, permitindo o cálculo da atitude da aeronave (ou seja, a orientação) e o controle e estabilização da mesma;
  2. GPS e bússola: São, em geral, integrados em um único dispositivo, de modo a fornecer a posição e orientação absoluta sobre o globo terrestre. O GPS (ou sistema de posicionamento global) é um sistema que foi desenvolvido nos Estados Unidos em 1973, e que foi disponibilizado para que qualquer pessoa sobre o globo terrestre com um receptor possa receber os sinais. Para que a posição possa ser determinada, um receptor deve receber os sinais de tempo e posição de, no mínimo 4 satélites. A bússola (ou magnetômetro) mede a intensidade e orientação do campo magnético, e provê uma orientação do VANT mais precisa do que seria possível somente com o uso de acelerômetro e giroscópio.
  3. Barômetro: É um sensor de pressão do ar, cuja função é determinar a altitude da aeronave, uma vez que a pressão é reduzida com a altitude.
  4. Velocímetro: Utilizado em aeronaves de asas fixas, é o responsável pela medição da velocidade da aeronave, geralmente baseando-se na pressão diferencial originada em um tubo de Pitot;
  5. Amperímetro e voltímetro: a sua função primária é a medição do status da bateria, de forma a possibilitar o piloto remoto a tomar alguma ação, ou mesmo possibilitar a tomada de uma ação automática, como o retorno à posição de partida (RTL, ou return to landing). Em geral o dispositivo que realiza a medição da tensão e da corrente, possui fonte interna para alimentação da placa de piloto automático, e é conhecido como módulo de potência.

Além destes, outros sensores também podem ser incorporados ao VANT visando aplicações específicas, tais como a medição da distância por ultrassom ou laser, e em locais cobertos e sem sinal de GPS, o sensor de fluxo óptico, o qual utiliza-se de uma pequena câmera voltada para o solo de modo a determinar-se o movimento (o mesmo princípio de funcionamento do mouse óptico).

Um outro componente de grande importância em VANTs automáticos é a estação de solo, ou GCS. A estação de solo é um software executado no computador remoto, de modo a indicar as informações de vôo ao piloto remoto, e com capacidade para alterar rotas e comportamentos durante o vôo.

Em geral três enlaces (ou links) de comunicação podem existir entre o piloto e a aeronave, que são:

  1. Rádio Controle: é o enlace principal, responsável por enviar e receber os comandos do piloto no controle da aeronave. Deve possibilitar também o acionamento e desligamento do modo automático, de forma que operação do VANT esteja condicionada ao piloto remoto.
  2. Telemetria: É um item bastante desejável na aeronave, porém não essencial, sendo responsável pela comunicação entre a estação de solo e a aeronave, primordialmente para a transferência de informações durante o vôo, tais como os dados dos sensores;
  3. Enlace de vídeo: necessário no caso de missões que serão executadas distantes do piloto remoto, possibilitando o modo de vôo em primeira pessoa (ou FPV) através do computador, ou de óculos especiais.

Diversas opções de placas de piloto automático encontram-se no mercado atualmente, sendo interessante destacar as placas compatíveis com a suíte Ardupilot, tais como Pixhawk, Navio2, APM2.6, e outras, devido à crescente comunidade de desenvolvedores, e o fato de ser baseada em código aberto, permitindo adequações e implementações de forma flexível.

Outros componentes ainda podem fazer parte de um VANT, tais como o controlador de velocidade (ESC), os eliminadores de bateria (BEC), gimbal para orientação de câmera FPV, etc., como no exemplo da figura abaixo, que ilustra o caso de um multicóptero quadrirotor.

Circuito típico de aeronave multirotor. Fonte: Arducopter

Como se pode verificar, são vastas as possibilidades de exploração e inovação na área de aeronaves não-tripuladas, sendo também este um assunto extenso, que espero abordar nos próximos artigos.

Até a próxima.

Autor: Leandro da Silva, Eng. El.

Fontes:

 

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