INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA
DIVISÃO DE ENGENHARIA AERONÁUTICA E MECÂNICA
“Guia Básica para Projetar e Desenvolver um
Piloto Automático para VANTS”
Disciplina EA-291
Elaborado por:
Eng. Acacio Alejandro Morales Henriquez
Eng. Erik Osvaldo Pozo Irusta
Outubro, 2010
GUIA BÁSICA PARA PROJETAR E DESENVOLVER UM PILOTO
AUTOMATICOPARA VANTS
O seguinte trabalho apresenta de uma guia inicial para desenvolver e projetar um
piloto automático para VANTs (Veiculo Aéreo Não Tripulado), a informação aqui mostrada
parte do estudo de alguns pilotos acadêmicos desenvolvidos por alunos e grupos de pesquisa
em diferentes universidades a nível mundial, com a finalidade de estabelecer alguns
fundamentos para que alunos, de graduação ou pós-graduação, possam iniciar o
desenvolvimento de um VANT e mais especificamente de um piloto automático.
Apresenta-se uma arquitetura geral dos sistemas que deveriam ser integrados na
aeronave e se mostram os dispositivos básicos e seu funcionamento, aliás, algumas
considerações que devem ser consideradas.
APLICAÇÕES DOS VANTS
Um VANT também conhecido como UAV (Unmanned Aerial Vehicle) é uma
aeronave sem tripulação humana a bordo. Muitas definições estabelecem a aeronave deverá
ter um sistema de controle autônomo ou piloto automático para ser considerados como
VANTs.
Estes tipos de aeronaves estão sendo atualmente muitos usados em diferentes
aplicações tanto militar quanto civil, devido a sua principal vantagem: não existe o risco de
perdidas humanas. Assim este tipo de aeronaves são utilizadas a nível militar para executar
missões de combate, simulação de alvos aéreos, reconhecimento de zonas remotas,
monitoramento de campos de batalha e condições ambientais, e aplicações logísticas tais
como envio urgente de recursos.
No campo civil os VANTs estão destinados a substituir a tripulações humanas em
tarefas perigosas tais como: salvamento e resgate, fumigação, estudos ambientais e
geológicos, além de ser parte de pesquisas e de desenvolvimento de novas tecnologias.
MODELO MATEMATICO
As equações de movimento da aeronave como corpo rígido, são expressas em espaço
de estado da seguinte forma:
é o vetor de estado, este está formado por um conjunto de variáveis X e U, onde X
são as variáveis do vetor de estado e U são as variáveis de entrada de controle. Este vetor
esta dividido em quatro sub-vetores que representam as velocidades rotacionais, as
velocidades translacionais, a atitude e por ultimo a posição. Assim as variáveis de estado
são:
O sub-vetor de velocidades rotacionais está composto pelas variáveis P, Q e R as
quais são as velocidades angulares entorno ao eixo x, y, e z respectivamente.
O sub-vetor de velocidades translacionais está composto pelas variáveis
e W as
quais são as componentes das velocidades lineares entorno ao eixo x, y e z respectivamente.
Estas velocidades podem se transformar em
sendo
a velocidade linear resultante,
e
a partir de algumas equações, assim
o angulo de ataque da aeronave e
o angulo de
derrapagem.
O sub-vetor de atitude esta composto pelas variáveis
e
que representam os
angulos de atitude nos eixos x, y e z respectivamente.
Por ultimo o sub-vetor de posição esta composto pelos vetores de posição nos três
eixos,
e
(No eixo z o
).
As variáveis de controle do modelo da aeronave convencional são:
Onde
é manete (Throttle),
do aileron (Aileron) e
deslocamento do profundor (Elevator),
deslocamento
deslocamento do leme de direção (Rudder). Na maioria das analises
usando o modelo da aeronave, a dinâmica é separada em dinâmica longitudinal
e dinâmica latero-direcional
.
ESQUEMA DE FUNCIONAMENTO
Para que um VANT possa ser tenha a capacidade do vôo autônomo, é necessário que
contenha os blocos de navegação, guiamento e pilotagem. O seguinte diagrama (figura 1)
mostra um esquema de funcionamento destes blocos.
Figure 1 Esquema de guiamento, controle e navegação
A entrada do sistema é a trajetória, inserida pelo operador usando Waypoints. Os
Waypoints são jogos das coordenadas que identificam um ponto no espaço físico. Para as
finalidades de aérea estas coordenadas incluem geralmente longitude e latitude, e altura, estes
pontos são usados para definir trajetos invisíveis do roteamento para a navegação. Esta
entrada irá para o bloco de guiamento, o bloco de guiamento irá comparar a posição atual da
aeronave com a situação desejada e gerará os comandos que entrarão ao bloco de controle
com a finalidade de alcançar os pontos desejados.
No bloco de controle (Bloco de pilotagem) se processará a informação dos comandos
que chegam do bloco de guiamento para transformá-los em atuação, neste bloco são
programadas e implementadas as leis de controle e os valores dos controladores que são
estabelecidos no projeto. Este bloco recebe informação dos sensores para ter referencia das
variáveis a ser controladas. A atuação gerada como resultado será executada pela aeronave, o
sistema principal, sabendo que recebe perturbações do exterior tais como forcas e momentos
exteriores. Os sensores tomaram todos os dados das variáveis da aeronave e os enviarão tanto
para o bloco de controle quanto para o bloco de navegação, este ultimo processará a
informação dos sensores para gerar os dados de posição, velocidade e aceleração da
aeronave. Os dados de posição, velocidade e aceleração realimentaram o sistema, entrando no
bloco de guiamento.
ARQUITETURA DO SISTEMA
A arquitetura geral de um VANT com capacidade de vôo autônomo é mostrada na
figura 2. Os principais sub-sistemas são: os dispositivos abordo, a estação terrestre e todos
aqueles dispositivos que permitem a interligação entre eles.
Figura 2 Arquitetura Básica de um PA para VANTs
A comunicação entre dispositivos é realizada via radio freqüências na banda ISM,
sendo esta a mesma banda do WLAN (Wireless) e WPAN (Bluetooth). O uso destes
equipamentos requer tomar algumas considerações de segurança muito importantes que
devem ser estudadas com cuidado.
O núcleo principal a bordo da aeronave pode ser o microcontrolador o um
computador de vôo. Este dispositivo será responsável de adquirir e processar toda a
informação da aeronave, aliás, deverá manter um enlace com a estação terrestre e executar o
software de controle.
Os outros componentes que deverá ter a bordo a aeronave são: os sensores, os
atuadores, e qualquer outro dispositivo necessário segundo a missão para a qual foi projetada
a aeronave.
Os sensores a bordo são: os girômetros, acelerômetros e magnetômetros, nos três
eixos da aeronave, um sensor GPS, um sensor de medição das RPM do motor (Se fosse
necessário, isto dependerá do tipo de motor que seja usado), os sensores de pressão
diferencial e absoluta, o sensor de voltagem da bateria, o sensor de temperatura e um ultimo
sensor para medir o nível de combustível.
Os atuadores ou servomecanismos pelo geral são motores elétricos cuja função é
acionar as superfícies de comando, estes são projetados para ter um comportamento linear
que deverá ser calibrado, normalmente uma aeronave tem como mínimo quatro atuadores que
podem ser servomotores, um para cada controle da aeronave: manete, profundor, leme de
direção e ailerons.
Em terra deverá ter uma estação de controle, esta estação geralmente esta composta
de um computador, um modem de transmissão de dados e um radiocontrole para efetuar o
controle manual de ser necessário.
PILOTO AUTOMATICO
O piloto automático é aquele conjunto de dispositivos que permitem pilotar a
aeronave sem ajuda do humano. Existem vários pilotos automáticos comercialmente
disponíveis, as maiorias desses dispositivos fornecem pouco aceso as estruturas internas de
controle, mas estes são muito apropriados para executar tarefas de controle de alto nível.
Estes pilotos automáticos têm como núcleo principal a bordo um Sistema de controle e
guiamento do vôo (Flight Management and Control System). Este sistema pode estar
composto por vários computadores funcionando como um sistema quase operacional ou pode
ser um processador de tipo PC-104 (Este modo é o mais usado atualmente) funcionando em
QNX neutrino e com isto passa ser um sistema operativo em tempo real. Todo isto da maior
robustez e confiabilidade ao sistema para executar funções tais como:

Controlar a comunicação entre o hardware, sensores e demais periféricos.

Fornecer dados conectados como: posição, atitude, deflexão das superfícies de
controle em tempo real para e desde os dispositivos.

Determinar a bordo o vetor de estado (Três componentes de posição e três
componentes de Velocidade) desde dados fornecidos pelos sensores
conectados.

Realizar os cálculos de controle do vôo para determinar a atuação com a
finalidade de atingir os objetivos (waypoint).

Planificação e guiamento da missão desde waypoint dinâmicos.

Verificação e monitoramento do estado dos dispositivos a bordo.
Este tipo de sistema pode interatuar com um DMU (Dynamic Measuring Unit) o qual
mede todas as velocidades e acelerações angulares, temperatura e vibração, com um receptor
GPS (usado para determinar a posição da aeronave), e com um transponder A/C (que fornece
a medição de altitude da aeronave).
Figura 3 Arquitetura do piloto automático com FMCC
Porém quando o objetivo do VANTs tem finalidades educativas e de entendimento é
conveniente usar um microcontrolador que fornece uma maior flexibilidade para implementar
e desenvolver leis de controle aumentando a experiência educativa dos estudantes envolvidos
no projeto.
Estes tipos de pilotos automáticos estão constituídos por uma serie de componentes a
bordo da aeronave tais como: microcontrolador, sensores, circuito de sinais, dispositivos de
aquisição de dados e o modem de comunicação a bordo, que podem ser acoplados em uma
placa. A seguir, será mostrada uma breve descrição de cada um destes dispositivos:
1. Microcontrolador: é o responsável de integrar todos os componentes a bordo
da aeronave e de enviar e receber os dados da aeronave através do modem.
Alem disso pode ser carregado com algoritmos matemáticos que permitam
processar a informação recebida dos sensores. Também podem ser
implementadas leis de controle com a finalidade de fazer a navegação,
guiamento e controle da aeronave, com isto a aeronave tem capacidade de
executar vôos autônomos programados pela estação de terrestre, inserindo
pontos de trajetória conhecidos como “waypoint” e estabelecendo parâmetros
fixos como altura.
2. Painel de Sensores: os sensores podem ser organizados em um painel de
sensores que para que estejam inter-relacionados com o painel do
microprocessador e os dispositivos eletrônicos associados, formando o painel
ou placa principal do sistema. O painel de sensores deverá estar composto por
três chips separados, um para cada eixo, de girômetros, acelerômetros e
magnetômetros, dois chips para os sensores de pressão e um chip para o
receptor do GPS, todos integrados no modulo do microcontrolador. Este painel
também deverá incluir uma fonte de alimentação para todos os componentes
eletrônicos.
3. Sensores Inerciais: para medir as velocidades angulares da aeronave são
usados os girômetros estes sensores são direcionais, ou seja, fornecem a
grandeza medida numa determinada direção. Para atender a movimentos em
várias direções, utilizam-se outros conjuntos compostos por várias unidades de
um mesmo sensor, inclusive por questões de redundância Alguns dos mais
usado são o ADXRS150 e o MLX90609.
A medição da aceleração lineal poderá ser feita através de três acelerômetros
analógicos. Os acelerômetros são sensores inerciais utilizados em sistemas de
navegação inercial para determinar as acelerações de um veículo. Os
acelerômetros
podem
ser
realizados
com
tecnologia
totalmente
eletromecânica, de estado sólido, ou opto-mecânica. Um acelerômetro
comumente usado em Vants é o dual-axis chip ADXL202
Para obter a orientação absoluta em relação ao campo magnético da terra são
usados os magnetômetros, especificamente três módulos, este um instrumento
usado para medir a intensidade, direção e sentido de campos magnéticos em
sua proximidade. Na aeronave os magnetômetros são uma versão moderna de
um a bussola tradicional, pois conseguem medir com certa precisão o campo
magnético do planeta Terra. Os mais recomendados a nível comercial são os
fabricados pela Honeywell Solid State Electronics Center (SSEC).
Usando as medições destes sensores é possível calcular a atitude, posição e
orientação da aeronave nos três eixos, através da implementação de um
algoritmo no microcontrolador para tal fim (Bloco de Navegação).
4. Sensores das superfícies de controle: como foi dito anteriormente as
superfícies de controle agem com a ajuda de uma series de motores elétricos
denominados servos. Para obter informação de entrada dos comandos é
necessário ter um conhecimento bastante preciso dos ângulos de deflexão de
todas as superfícies aerodinâmicas (profundor, leme e aileron) assim como do
manete do motor. Estes dados são obtidos a partir da medição das voltagens
nos potenciômetros dentro dos servomotores DC.
5. Outros Sensores: dentro dos equipamentos a bordo da aeronave é necessário
um sensor de pressão diferencial e um sensor de pressão dinâmica, este ultimo
é um tubo pitot que geralmente está colocado na asa da aeronave, essas
medidas permitem calcular a velocidade da aeronave. Com a medição de
pressão diferencial entre o nível da terra e o nível da aeronave, é calculada a
altitude da aeronave. Alguns sensores de pressão diferencial recomendados
são o MPXV5004D e o MPXAZ4115.
A tração do motor pode ser calculada conhecendo as RPM do motor, por causa
disso é recomendável também colocar um sensor de RPM do motor. Estes
sensores geralmente são dois pequenos imãs colocados na placa traseira do
spinner e empregando um sensor colocado na cobertura do motor são gerados
pulsos elétricos toda vez que o imã passa na frente do sensor. Medindo o
intervalo de tempo entre cada pulso o microcontrolador pode calcular as RPM
do motor.
6. Modem de Comunicação: toda aeronave não tripulada deve ter uma grande
segurança na hora de transmitir e receber informação, é recomendável ter
mínimo dois links de comunicação remota (Em alguns casos se utiliza um
terceiro link para enviar informação de algum outro dispositivo adicional, por
exemplo, enviar vídeo de uma câmera instalada) e estes devem permanecer
separados. O primeiro link se utiliza como canal de comunicação do radio
controle e a aeronave. O segundo link deverá ser usado para trocar os dados
principais entre a aeronave e a estação terrestre. Um modem comumente usado
é o Spectra 910 que opera na frequência dos 900MHz e tem um alcance de 40
km aproximadamente. Recomenda-se usar porto serial para a conexão com o
microcontrolador.
7. Controle dos Servomotores: O microcontrolador deverá ter no mínimo quatro
saídas independentes para gerar as referencias de comando para os
servomotores (Para controlar o servo do manete do motor, servo do leme de
direção, servo do profundor e uma ultima para controlar o servo dos ailerons).
8. Receptor GPS: este sensor proporciona os dados de posição que podem ser
usados diretamente para o guiamento da aeronave ou para corrigir os dados
obtidos a partir dos sensores inerciais.
9. Receptor (RX, receiver): é a peça que recebe os comandos do Transmissor
(pelas ondas de rádio) e passa a informação para o canal determinado. Um
canal é uma via por onde o transmissor envia uma informação à alguma parte
eletrônica da aeronave, como servos e ESC. Para cada servo (desde que não
estejam ligados em paralelo) e para o ESC, é necessário um canal disponível.
Por exemplo, para aeromodelismo elétrico, existem os micros receptores que
pesam algumas poucas gramas, mas normalmente é usado um receptor de
aeromodelos a combustão, como o R127 da Futaba.
Figura 4 Hardware de um Piloto Automático com microcontrolador
ESTAÇÃO TERRESTRE
A estação terrestre esta composta principalmente por um computador (Personal
Computer), que normalmente é um notebook, equipado com um modem de comunicação
wireless. O sistema operacional pode ser windows ou linux, dentro do qual deverá ser criada
ou customizada uma interface gráfica (Graphical User Interface) onde seja possível ser
visualizada toda a informação recebida da aeronave em tempo real, como por exemplo
altitude, velocidade, atitude, posição etc. Também como parte da estação de terra deverá
existir um sistema alterno de controle manual, feito através de um radiocontrole (Futaba é o
tipo mais usado). Com este sistema o operador poderá assumir o controle da aeronave para
executar um guiamento remoto manual enviado diretamente a um receptor alterno a bordo da
aeronave. Este guiamento remoto da aeronave deverá estar disponível em todas as fases do
vôo (ex: Taxi, decolagem, emergência e pouso). O microcontrolador não deverá receber este
guiamento manual porque esta informação não precisa ser processada.
A estação terrestre deverá ter ainda a capacidade de coordenar o vôo autônomo da
aeronave, fornecendo comandos do controle e de navegação de alto nível via way-points.
Estes way-points são pontos marcados no mapa de navegação da aeronave, os quais são a
referencia para traçar a trajetória da aeronave. O sistema de controle da aeronave deverá
executar o guiamento e o controle para a aeronave atingir estes way-points na ordem
predeterminada pelo operador.
CONSIDERAÇOES FINAIS:
No caso de que não esteja selecionada ou projetada a aeronave para fazer a
implementação do piloto automático é importante ter claro as principais características que
deverá ter são: uma grande capacidade de carga e uma boa estabilidade, além dos custos.
Algumas aeronaves recomendadas são: Goldberg Declathlon ARF e 1/3-scale model of a
Piper Cub.
Por ultimo uma recomendação importante feita pela maioria dos grupos de pesquisa
de VANTs é usar comunicação entre dispositivos via RS-212 serial porque a maioria dos
dispositivos que se são usados tem essa capacidade de interface reduzindo custos e tempo em
desenvolvimento de interfaces, aliás, os portos de comunicação serial oferecem soluções
simples entre hardware e software.
Por ultimo é recomendável consultar nos livros de dinâmica (mostrados nas
referencias) de vôo sobre o modelo matemático da aeronave para obter as equações
dinâmicas, as funções de transferência e toda a informação relacionada com este tema, assim
como para ter um maior entendimento da física e as variáveis que atuam na dinâmica da
aeronave.
REFERÊNCIAS:

Brian L. Stevens and Frank L. Lewis, Aircraft Control and Simulation,
Editorial John Wiley and Sons, New York, USA, Febrero de 1992.

R. Clothier, A. Harrinson, D. Dusha, I. McManus, D. Greer, R. Walker,
“Developed of a low-cost UAV System for Civilian Airspace Integration
Trials”, Queensland University of Technology, Brisbane, Australia 2005.

D. Jung, E. J. Levy, D. Zhou, R. Fink, J. Moshe, A. Earl, P. Tsiotras, “Design
and Developement of a Low-Cost Test-Bed for Undergraduate Education in
UAVs”, Atlanta, USA, 2006.

Lyle N. Long, Scott D. Hanford, Albert F. Niessner, George B. Gurney, “An
Undergraduate course in Unmanned Air Vehicles”.

Robert C. Nelson, Flight Stability and Automatic Control, Mac-Graw Hill
Company, Segunda edición, 1998.

QNX software System Ltd, http://www.qnx.com.

Sobre Aeromodelismo:

◦
http://www.e-voo.com.
◦
http://www.aeromodelismovirtual.com
Para comprar:
◦
http://microcontrollershop.com