Helicóptero de Bancada

Helicóptero de Bancada
Alberto Luiz Wiggers e Felipe Ragnini
Instituto Federal de Santa Catarina – IFSC
Chapecó – Santa Catarina – Brasil
Curso Superior de Engenharia de Controle e Automação
Projeto Integrador II – Professores Vinicius Peccin e Cristiano Kulman
Resumo: Este documento tem como intuito apresentar e discutir em âmbito geral os
resultados do projeto de um helicóptero de bancada, abordando: o objetivo do projeto,
os requisitos, as principais tomadas de decisões, as etapas de construção,
implementação e testes, as dificuldades envolvidas e possíveis melhorias, dividindo o
trabalho em três subitens cada um com suas etapas de execução: projeto mecânico,
projeto eletroeletrônico e projeto de controle.
Palavras chave: Helicóptero de Bancada; Controle de Elevação.
1. Introdução
Atualmente, a ascensão dos
veículos autônomos não tripulados
(VANT’s), se deve ao emprego dos
mesmo para realização de atividades
como operações de risco, aquisição de
dados e até entrega de produtos,
portanto se vê a necessidade de
fomentar pesquisas e ir em busca do
conhecimento envolvido neste tipo de
tecnologia. Portanto o objetivo principal
deste projeto é colocar os estudantes do
curso de engenharia de controle e
automação em contato com esta nova
área do conhecimento, através da
realização do projeto de um helicóptero
de bancada, que serve como protótipo
para desenvolver pesquisas sobre os
VANT’s.
O helicóptero de bancada é
basicamente um drone fixo, que pode
ser estudado de forma segura dentro do
ambiente acadêmico. O corpo de
propulsão é composto por dois motores
em paralelo no eixo de arfagem que é
fixo em uma haste, e esta por sua vez,
possui um contra peso na extremidade
oposta ao conjunto de propulsão e é fixa
em um ponto a uma base, o corpo de
propulsão é
responsável pela
realização do deslocamento vertical,
rotacional e arfagem assim ampliando
as possibilidades de movimentação.
O de helicóptero de bancada
utilizado como modelo para o projeto, foi
o da empresa canadense Quanser, que
desenvolve pesquisa e protótipos para a
prática e pesquisa de técnicas de
controle na área de VANT’s.
Figura 1 – Helicóptero de Bancada com
3 graus de liberdade da empresa
Quanser.
Primeiramente, dentre os três
projetos
propostos
a
serem
desenvolvidos
na
disciplina,
o
helicóptero de bancada era o único que
não possuía estrutura mecânica pronta
ou muito avançada, e devido a isto, o
grupo sentiu necessidade de abrir mão
de alguns requisitos de projeto e focar
outros
,
afim
de
otimizar
o
desenvolvimento do projeto, tendo em
vista que os projetistas tinham pouco ou
nenhum contado com este tipo de
atividade, esta e outras limitações como
a escassez tempo disponível para o
desenvolvimento
e
pesquisa
relacionados a um projeto desta
magnitude, verba disponível para a
execução do mesmo e ferramentas e
materiais disponíveis para serem
utilizados e empregados no projeto
portanto, essas limitações influenciaram
diretamente na tomada de decisões e
consequentemente na eficiência e
funcionamento do protótipo.
Como foi decidido que o foco
seria o eixo de elevação, foi em torno
deste que todo o projeto tomou forma,
devido às limitações citadas acima, o
eixo foi projetado para ser fixado por um
par de rolamentos e suporte de mancal
para o diâmetro de 20mm, como mostra
a imagem abaixo:
2. Projeto Mecânico
No decorrer do projeto, algumas
decisões foram essenciais, como por
exemplo o material estrutural, redução
dos movimentos do protótipo, de
deslocamento vertical no eixo de
elevação, deslocamento no eixo de
rotação e arfagem para somente o
deslocamento no eixo de elevação e
arfagem mas sem comprometer a futura
implementação e funcionamento do
outro eixo de movimentação, do sistema
de medição, entre outros.
2.1 Material estrutural
Tendo em vista alguns requisitos
da estrutura mecânica do projeto como
robustez, resistência a torções e
impactos, os principais materiais
utilizados na parte mecânica do projeto
foram perfis de alumínio de 30x30 para
a estrutura, sucata de perfis alumínio
como base, para fixação do corpo do
helicóptero de bancada e aço para
confecção de outras partes principais
como do eixo de elevação, o suporte
para o sistema de medição e as
cantoneiras que mantem o a estrutura
fixa na base.
Figura 2 – estrutura de suporte do eixo,
e eixo de elevação.
Como pode-se observar o eixo é
suportado pelo conjunto rolamento –
suporte de mancal, posicionados nas
extremidades dos perfis de alumínio que
estão montados perpendiculares à
base.
2.3 Acoplamentos eixo e braço
Assim, como o eixo de elevação,
o acoplamento do braço com o eixo
também foi projetado e usinado durante
o projeto, utilizando os materiais e
maquinas disponíveis no campus.
Figura 3 – Acoplamento desenvolvido
para unir o braço ao eixo de elevação.
2.2 Eixo de elevação
2.4 Base e estrutura
Tanto a base como a estrutura
do projeto foram construídas utilizando
perfis de alumínio, e suas dimensões
são: a altura do eixo de elevação é de
38,7 cm, os perfis que de sustentação
do eixo de elevação são de 45cm de
comprimento, o contra peso fica na
extremidade do braço de 83cm de
comprimento até o eixo de arfagem que
possui
53cm
de
comprimento,
sustentando os motores nas suas
extremidades, a imagem a seguir
mostra a estrutura final.
3.1 Microcontrolador
Seguindo os requisitos do
projeto, algumas decisões influenciaram
na escolha do microcontrolador foram a
resolução necessária para a atuação do
controle, o número entradas e saídas da
placa a ideia de utilizar um display para
disponibilizar os dados do controle
durante o funcionamento do protótipo,
assim optou-se por utilizar um arduino
mega 2560, pois este supri as
necessidades de resolução do sistema,
possui o número de portas necessárias
para o sistema e ainda para utilização
de um shield de um display LCD.
3.2 Sistema de medição
Figura 4 – Estrutura final do helicóptero
de bancada.
Todos
os
encaixes
e
acoplamentos da estrutura acima foram
feitos utilizando parafusos de aço de ¼”,
já os acoplamentos e junções utilizados
na base foram executados com
parafusos M8.
2.5 Eixo de arfagem
O eixo de arfagem foi projeta
inicialmente para funcionar utilizando
um terminal rotular para satisfazer os
movimentos necessários, porém no
decorrer do projeto este eixo foi
imobilizado por uma chapa de alumínio,
pois a movimentação que ocorria neste
eixo deixava os motores com as hélices
para baixo, impossibilitando a propulsão
e consequentemente o controle do
sistema.
3. Projeto Eletroeletrônico
O sistema de medição atua
diretamente no deslocamento angular
do sistema, o protótipo modela da
Quanser utiliza encoders de alta
precisão como sensores, mas com as
limitações do nosso projeto optou-se por
utilizar um potenciômetro de 5KΩ
conectado na extremidade do eixo de
elevação para que quando houver
movimento angular o potenciômetro
acompanhe assim variando sua
resistência
(THOMAZONI,
D;
ALBUQUERQUE, P, 2008).
3.3 Ponte de Wheatstone
A ponte de Wheatstone é circuito
destinado
a
medir
resistências
desconhecidas, o circuito é composto
por 3 resistências semelhantes mais a
resistência que se deseja medir e é
alimentado com uma tensão de 5V,
algumas adaptações foram necessárias
utilizando o circuito integrado LM358
afim de ajustar os valores do circuito
entre 0 a 5V que é o sinal que o range
de tensão que o microcontrolador
consegue medir em suas portas.
Após os ajustes, a variação de
tensão medida na saída do circuito é de
1,9V a 3.7V, uma variação de 1,8V que
é utilizada para medir a variação do
ângulo do braço, que varia de -30 a 30
graus de inclinação em relação ao eixo
horizontal.
3.4 Conversão analógica/digital
O microcontrolador escolhido
utiliza um conversor analógico digital de
10bits, dessa forma os valores inseridos
são convertidos para um range de 0 a
1023 pontos transformando a variação
do sistema de medição que era de 1.8V
para 380 pontos, dentro da faixa de 380
aos 760 pontos.
3.5 Sistema de propulsão
O sistema de propulsão
escolhido é composto por dois motores
brushless outrunners pois possuem
facilidade de controle de aceleração e
desaceleração e proporcionam
facilidade no controle de velocidade e
torque como diz (DEL TORO,
1990). Os motores Emax gt2213,
segundo (MILTON, P. 2013)as hélices
de duas pás são as que possuem
melhor relação do coeficiente de
potência pela razão da velocidade de
ponta assim as hélices utilizadas
possuíam duas pás sendo cada pá com
5” de comprimento, funcionam a uma
tensão de 11v com uma variação de
corrente de 0 a quase 10 ampères,
funcionando a sua potência máxima os
motores são capazes de sustentar uma
carga de mais de 1,2kg, porém os
motores requerem ser ligados com
placas ESC(Eletronic Speed Controller)
que são um circuito implementado em
conjunto com o microcontrolador afim de
acionar
o
motor
através
do
chaveamento de transistores de efeito
de campo.
3.6 Sistema de Alimentação
A alimentação do sistema foi
determinada partindo dos requisitos do
sistema de propulsão e demais circuitos,
A escolha foi uma fonte de 550watts que
possui duas saídas 12volts
–
19ampéres
que
suprem
as
necessidades do conjunto de propulsão
e ainda fornece energia ao circuito de
medição.
4. Projeto de Controle
O projeto de controle é aonde se
aplicam as técnicas desenvolvidas
durante o curso afim de realizar a
modelagem da planta, as linearizações
e simplificações da dinâmica do
sistema, estabelecer a função de
transferência do controlador a partir dos
dados recolhidos e das especificações
do projeto, discretização da função do
controlador e sua implementação no
código.
4.1 Modelagem da planta
A modelagem do sistema foi
realizada após o estudo dos fenômenos
envolvidos na dinâmica do sistema
como
o
diagrama
de
forças,
decomposição de forças, fenômeno da
propulsão e os momentos angulares
gerados no sistema. Após considerar os
itens citados acima, a primeira equação
encontrada como modelo aproximado
do sistema foi:
Onde:
J = momento de inercia
d² Ѳ = derivada segunda do ângulo do
braço.
P = propulsão do sistema.
d1 = distância entre o conjunto de
propulsão e o ponto do braço fixo ao
eixo de elevação.
d2 = distância entre o contra peso e o
ponto do braço que é fixo no eixo de
elevação.
M= massa do conjunto de propulsão.
g = gravidade.
CP = massa do contra peso.
Ѳ = ângulo de decomposição das forças
de propulsão, peso dos motores e
contra peso.
Após levantarmos o primeiro
modelo
do
sistema,
viu-se
a
necessidade de simplificar a equação
através da linearização dos cossenos,
assim para variações de ângulos
pequenos se assume que cosseno de Ѳ
é igual a 1, assim temos:
Figura 5 - função de transferência e
posição de pólos e zeros do controlador
PD.
A imagem acima mostra a
função de transferência de um
controlador PD que quando aplicado a
planta gera o gráfico de resposta ao
degrau abaixo:
Portanto:
Figura 6 – resposta ao degrau do
controlador PD.
4.2 Estudo da dinâmica do sistema
O estudo da dinâmica do sistema
foi feito utilizando as ferramentas
disponíveis no campus que são matlab,
simulink e sisotool, ao analisar a
dinâmica do sistema, representada pela
função de transferência aproximada da
planta pode-se observar que é a
dinâmica de uma planta duplamente
integradora, portanto a utilização de um
controle PD (ganho proporcional e
ganho derivativo) seria suficiente para
satisfazer os requisitos de controle da
planta, como na imagem a seguir.
Os valores altos que aparecem
para o ganho proporcional são
justificados pela falta do modelo dos
motores na planta, o modelo dos
motores é somente um valor de ganho
multiplicando a planta, portanto se o
modelo dos motores fosse incluído, o
valor do ganho proporcional do
controlador
seria
reduzido
drasticamente.
Após a análise da dinâmica da
planta e de um possível controlador,
algumas mudanças foram influenciadas
pelos requisitos do projeto e algumas
limitações, por isso foi utilizado um
controlador PID (ganho proporcional,
integral e derivativo), para que o sistema
de controle fique mais didático e
compreensivo e por influência dos
ruídos e não linearidades da planta, o
ganho derivativo foi reduzido e o ganho
integral assumiu seu papel para que o
controle atuasse de forma eficiente.
O tempo de amostragem a ser
utilizado deve ser de no mínimo oito
vezes mais rápido que a dinâmica do
sistema, para este sistema foi utilizado
50 milissegundos.
4.3 Discretização do controlador
Para que o controle fosse
implementado no código fonte do
microcontrolador, foi necessário a
discretização da função de transferência
do controlador, a arquitetura escolhida
foi a paralela pois esta mantém os
valores dos ganhos independentes o
que torna os ajustes mais práticos e
didáticos e o método de discretização
utilizado foi a regra trapezoidal ou
método de Tustin.
Figura 7 – Imagem do código fonte da
função de transferência discreta do
controlador.
4.4 Ajustes e praticidade do Shield
display LCD
Os parâmetros de ganho
proporcional(Kp), ganho integral (KP =
1/TI), ganho derivativo(Kd) e tempo de
amostragem interferem diretamente na
atuação do controlador sobre a planta,
pois a função de transferência do
controlador é:
-implementação do código
A implementação do código teve
início a partir de estabelecidas as portas
que seriam utilizadas pois o shield
display LCD ocupa grande parte da
placa,
após
isso
notou-se
a
necessidade da elaboração de uma
rampa de inicialização para que os
motores funcionassem corretamente de
acordo
com
seus critérios
de
funcionamento, foi feito o ajuste de
conversão do sinal do sistema de
medição
para
ângulo,
e
a
implementação da função discreta do
controlador como mostra a figura abaixo
Portando, contando com os requisitos
de didaticidade do protótipo, foi
implementado um display LCD onde
pode ser feita as alterações destes
parâmetros diretamente na planta e
testar a eficiência do controlador.
Durante a execução do programa o
display LCD também mostra a o valor do
PWM determinado pela ação controle e
o erro de ângulo do eixo de elevação,
permitindo assim que um ajuste fino dos
parâmetros possa ser feito com
facilidade e praticidade para que o
controle fique bem calibrado.
4.5 Função de transferência final do
controlador
Após os estudos da dinâmica da
planta, calibragem do sistema de
medição,
discretização
e
implementação do código fonte, os
ajustes finai s do controle foram feitos
em laboratório, fazendo um ajuste fino
nos valores dos ganhos e observando
as mudanças na dinâmica da planta,
foram adicionadas perturbações afim de
encontrar um controle robusto, e a
versão final são valores de Kp = 1,5 Ti =
3 e Kd = 0,095 que é um controle com
rejeição ao impulso e ao degrau, como
mostra o gráfico.
pontos
à
melhorar
seriam
o
aperfeiçoamento
do
sistema
de
medição, a construção de uma estrutura
de proteção para que não ocorram
acidentes com as hélices, e a futura
implementação e ajuste dos outros dois
eixos de movimento.
6. Referências:
DEL TORO, Vincent. Fundamentos de
Máquinas Elétricas. 1ª edição. Rio de
Janeiro:
Editora LTC, 1999.
PINTO, Milton. Fundamentos de
Energia Eólica. 1ª edição. Editora LTC,
2013.
Figura 8 – Gráfico ilustrando as reações
do controlador a diferentes
perturbações.
5. Discussões Finais
A versão final do protótipo,
atinge vários requisitos do projeto de
forma eficiente, levando em conta as
limitações financeiras, limitações de
conhecimento e tempo do projetistas , o
requisito de didaticidade do protótipo
que foi satisfeito com a implementação
do shield LCD que expõe as
informações do sistema, e também a
própria dinâmica do sistema possibilita
perceber a atuação dos diferentes tipos
de
controle
e
quais
suas
consequências, com relação a estrutura
mecânica, esta possuía requisitos de
rejeição a vibrações e torções os quais
foram supridos muito bem pela estrutura
construída, já o sistema de medição do
sistema apresenta pouco robustez,
conforme se realizam testes no protótipo
o sistema de medição fica cada vez
mais ruidoso e falho. Sendo assim os
THOMAZONI,
Daniel;
ALBUQUERQUE, Pedro Urbano Braga.
Sensores industriais:
Fundamentos e aplicações. 5. ed.rev. e
atual. São Paulo: Érica, 2008.