Muito bom usar SSD para dar boot instantâneo
Sunday, September 29, 2013
Tuesday, September 24, 2013
Tuesday, September 17, 2013
Drones no estilo faça você mesmo
Este post está sempre sendo atualizado e é dedicado a elaborar um roteiro para montar um veiculo aéreo não tripulado (VANT) ou drone do tipo quad-rotor ou multi-rotor. Incluindo o projeto do hardware e software/firmware. E que seja facilmente personalizável.
Demonstração do drone semelhante ao que está sendo montado neste post
http://vimeo.com/28427063
mwc quad // suppo 2212/13 from warthox on Vimeo.
mwc quad // learning to fly inverted [uncut] from warthox on Vimeo.
Ferramenta para cálculo do motor e hélices.
http://www.drivecalc.de/
mwc quad // suppo 2212/13 from warthox on Vimeo.
mwc quad // learning to fly inverted [uncut] from warthox on Vimeo.
Ferramenta para cálculo do motor e hélices.
http://www.drivecalc.de/
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| Modelo de Drone simplificado |
Requisitos:
- Baixo custo (praticamente tudo chinês)
- Anticolisão
- Automatizado por GPS
Vamos a lista de peças necessárias e revisão.
Além disso, vou colocar um acompanhamento dos prazo que leva para chegar as peças.
Comprados:
frame - Turnigy Talon v1 Carbon Fiber (R$110)
4 x ESC HobbyWing Pentium - 30A - (R$100)
4 x motores Suppo A2212/13T 12A 1000kv - (R$100)
4 x hélices 9x5 de nylon - sendo 2 CW e 2 CCW
4 x hélices 8x4 de nylon - sendo 2 CW e 2 CCW
6 x sensor ultrasom (distância até 5 metros em +-x,+-y,+-z) - HC-SR04
sensor de pressão (altitude além dos 5 metros) - bmp085
2 x comunicação rádio 433mhz - cc1101
navegador bússola 3d - hmc5883l
giroscópio 3d - MPU6050
acelerômetro 3d - MPU6050
kit microcontrolador - Texas EK-ML4F120XL (ARM Cortex-m4)
kit microcontrolador - ST Discovery-VL (ARM Cortex-m3)
kit microcontrolador - FreeScale FRDM-KL25Z (ARM Cortex-m0)
kit microcontrolador - rl78/g13 (Renesas)
kit microcontrolador - Arduino Nano v3 (Atmel-AVR)
conversor USB/TTL - Prolific 2303HX
Falta comprar:
navegador gps -
comunicação gsm quadband - sim900
comunicação wifi - cc3000
bateria LiPo -
Carregador LiPo -
Frame / Esqueleto / Armação
As opções no mercado são de alumínio, fibra de carbono, fibra de vidro e plástico.
fibra de vidro e plástico são muito moles e quebram com extrema facilidade.
A de alumínio é leve e bem resistente, mas é fácil de arranhar.
A solução ideal seria de fibra de carbono que é mais leve que alumínio e mais forte que do aço.
Plástico
Fibra de vidro
Alumínio
Fibra de carbono
(este me parece a melhor opção custo / benefício)
[a versão 2.0 da primeira]
[uma opção com pés de helicóptero]
Se estiver a fim de fazer seu próprio frame em fibra de carbono, tem um cidadão explicando como faz para montar uma bicicleta, mas o processo é o mesmo.
Eletronic Speed Control (ESC)
O controle eletrônico de velocidade é aplicado a motores brushless trifásicos para controlar a velocidade com extrema precisão. Os motores compostos por 3 bobinas separadas de 120 graus, precisam ser acionadas sequencialmente para que o motor gire. O ESC geralmente é composto de uma fonte chaveada que é alimentada pela bateria do sistema (geralmente polímero de lítio [Lipo] de 3 células), e fornece um saída estabilizada de 5V (battery eliminator circuit [BEC]) para alimentar o microcontrolador do ESC e o resto do sistema, além da saída que vai para os transistor de efeito de campo (FET) que vai alimentar cada bobina do motor no momento certo. O FET funciona como uma chave de liga e desliga eletrônica que muda de aberto para fechado dependendo do que é injetado na base. O que o programa do ESC faz é controlar os FET usando GPIO do MCU. O MCU recebe como entrada o sinal de controle, a frequência de chaveamento do sinal de controle é usada para ajustar a velocidade do PWM que auxila no chaveamento dos FET obedecendo a sequência de disparo de 120 graus. Além disso, o MCU também recebe como entrada sinais de força contra eletromotriz (back EMF) para detectar onde está o miolo central do motor. À primeira vista parece um programa muito simples, mas existe muito mais detalhes para construir um ESC com HW e SW / FW otimizados. Como o objetivo é construir um Drone e não um ESC, vamos usar um solução já pronta e disponível comercialmente.
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| Esquema simplificado de um ESC com BEC |
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| Esquema elétrico de um ESC [s1] |
Importante: a corrente máxima suportada pelo ESC deve ser sempre maior (pelo menos 10% de folga) em relação a corrente máxima especificada pelo motor. O erro mais comum é usar um ESC com corrente menor do que a especificada pelo motor. A consequência deste erro é ver o ESC (em especial os FETs) virar carvão em menos de 1 segundo.
Corrente máxima 30A
http://dx.com/p/hobbywing-pentium-30a-brushless-speed-controller-esc-for-r-c-helicopter-quadcopter-black-184272 (cerca de $9,20)
http://dx.com/p/flying-30a-bec-electronic-speed-controller-for-brushless-motors-esc-11981 (cerca de $11,20)
Corrente máxima 40A
Corrente máxima 70A
Hélices / Propellers
As hélices possuem dois tipos CW e CCW. As CW cortam o ar em sentido horário e as CCW cortam o ar em sentido anti-horário. Para voar os drones quadrotor precisam ter 2 hélices de cada tipo.
A hélices possuem dois parâmetros: tamanho e ângulo de ataque.
Uma hélice 9 x 5 que dizer que o diâmetro da hélice é 9 polegadas e 5 é o ângulo de ataque do ar, ou seja, a inclinação da hélice é de 5 graus.
Relação tamanho vs ângulo de ataque vs empuxo gerado vs corrente necessária vs bateria
Quanto maior a hélice e o ângulo de ataque, maior será a força de empuxo gerada (Thrust).
A resistência do ar é proporcional a área da pá e ângulo de ataque.
Isso implica que uma maior resistência do ar causa um maior esforço do motor, e quanto maior o esforço do motor maior será a corrente necessária. E se a corrente necessária for próxima da máxima especificada pelo motor, provavelmente a eficiência energética do motor não será otimizada. E motor não otimizado implica consumir mais energia da bateria e como consequência menor autonomia de voo, pois a quantidade de energia da bateria é limitada. Aumentar o tamanho de bateria para ter mais energia implica em aumentar o peso, e aumentar o peso também causa mais esforço do motor.
Portanto não é um problema trivial dimensionar as configurações de hélice / motor / bateria / autonomia de voo desejada / peso extra para bagagens.
Parece mais um problema recursivo que só faz crescer de si mesmo.
O desafio é encontrar uma configuração de hélice que gere o empuxo desejado sem comprometer a eficiência energética do motor.
Além disso tudo, ainda tem de escolher o material do qual é feito a hélice. As hélices de plástico são baratas, mas costumam vibrar mais do que as hélices de fibra de carbono. A hélices de fibra de carbono são 100 vezes mais forte que as hélices de alumínio.
Além disso tudo, ainda tem de escolher o material do qual é feito a hélice. As hélices de plástico são baratas, mas costumam vibrar mais do que as hélices de fibra de carbono. A hélices de fibra de carbono são 100 vezes mais forte que as hélices de alumínio.
No caso das hélices de fibra de caborno é altamente recomendado realizar o balanceamento manual da hélice. É um processo simples de tentativa e erro, até deixar os dois lados da hélice com o mesmo peso.
Motores (Brushless Outrunner)
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| Motor Mistery / Suppo A2212/13T 1000Kv |
Existem basicamente 2 tipos de motores os outrunner (que a carcaça gira junto, tem alto torque e baixa rotação) e os motores inrunner (que somente o eixo gira, tem baixo torque e alta rotação).
A corrente máxima do ESC deve sempre ser maior que a corrente máxima exigida pelo motor.
Se o ESC tiver corrente máxima menor que a de exigência do motor, o ESC virará "plasma" em 1 segundo.
Cada motor foi projetado para um determinado esforço máximo, portanto sempre se deve utilizar uma hélice do tamanho adequado. Se a hélices exigirem mais esforço do que o máximo suportado pelo motor, quem virará "plasma" é o motor.
O desafio é usar a maior hélice possível (quanto maior a hélice e o ângulo de ataque, maior será o empuxo gerado) que o motor suporta. Uma vez achada tal hélice, é preciso usar um ESC que forneça uma corrente maior do que a corrente exigida pelo motor equipado com a hélice.
Mas aqui existe outro problema, quando o motor está trabalhando com esforço máximo em 99,99% dos casos boa parte da energia está sendo gasta em calor, pois o núcleo do motor já está saturado magneticamente faltando. Dai é necessário descobrir qual é o esforço máximo do motor que maximiza a eficiência na relação corrente consumida x torque produzido.
Opção de motor da EMAX
http://dx.com/p/emax-cf2822-1200kv-diy-brushless-external-rotor-electric-machine-motor-for-apc-8x3-8-more-218180
O fabricante é "SUPPO" modelo A2212/13T
http://dx.com/p/a2212-13t-1000kv-outrunner-brushless-motor-set-yellow-gold-silver-219554
(cerca de $12)
O mesmo motor SUPPO modelo A2212/13T com desconto
http://dx.com/p/kv1000-brushless-exterior-rotor-motor-outrunner-motor-yellow-154904
(cerca de $10)
[ref] http://www.rctimer.com/product_118.html
Model: 2212-13
Motor size: Ф28*26mm
Shaft size: Ф3.175*37mm
Weight: 50g
KV(rpm/v): 1000
Max Power: 150W
Battery: 2-3Li-Po
Test Prop: 11x7/10x5
Ri(M Ω): 0.127
ESC(A): 30A
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| Mecânica do motor A2212/13T |
| No. of Cells: | 2 - 3 Li-Poly ( 7.2V até 11.1V) 6 - 10 NiCd/NiMH |
| Kv: | 1000 RPM/V (até 11mil rpm sem hélice, com hélice é menos por causa da resistência do ar) |
| Max Efficiency: | 80% |
| Max Efficiency Current: | 4 - 10A (>75%) |
| No Load Current: | 0.5A @10V |
| Resistance: | 0.090 ohms |
| Max Current: | 13A for 60S (derrete se passar mais de um minuto com essa corrente) |
| Max Watts: | 150W |
| Weight: | 52.7 g / 1.86 oz |
| Size: | 28 mm dia x 28 mm bell length |
| Shaft Diameter: | 3.2 mm |
| Poles: | 14 |
| Model Weight: | 300 - 800g / 10.5 - 28.2 oz |
[ref] http://www.batteryheatedclothing.com/pages/a2212-13t-technical-data.html |
| Gráfico da eficiência enérgica do motor. Pelo que pode ser visto no gráfico a maior (próxima a 80%) fica na faixa de 4 a 8 amperes. |
Testando sem hélice, as velocidades são essas abaixo
| Volts | Amps | RPM |
|---|---|---|
| 7 | 0.6 | 7380 |
| 8 | 0.65 | 8460 |
| 10 | 0.75 | 10500 |
Testando com hélices
[ref] http://www.flybrushless.com/motor/view/206
| Propeller | Gear Ratio | Volts | Amps | Watts | RPM | Speed (mph) | Thrust (g) | Thrust (oz) | RPM as % of Kv*V |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| GWS HD 8x4 | 1 | 7 | 3.35 | 23 | 6630 | 25.1 | 226 (4x= 900g) mínimo | 7.97 | 88% |
| GWS HD 8x4 | 1 | 7.9 | 4.1 | 32 | 7410 | 28.1 | 287 | 10.12 | 87% |
| GWS HD 8x4 | 1 | 8.9 | 4.85 | 43 | 8220 | 31.1 | 347 | 12.24 | 86% |
| GWS HD 8x4 | 1 | 9.9 | 5.65 | 55 | 8940 | 33.9 | 420 | 14.82 | 84% |
| GWS HD 8x4 | 1 | 10.9 | 6.5 | 70 | 9660 | 36.6 | 495 (4x= 1980g) máximo | 17.46 | 82% |
| GWS HD 9x5 | 1 | 6.9 | 5.5 | 37 | 6000 | 28.4 | 348 (4x= 1392g) mínimo | 12.28 | 81% |
| GWS HD 9x5 | 1 | 7.9 | 6.7 | 52 | 6660 | 31.5 | 436 | 15.38 | 78% |
| GWS HD 9x5 | 1 | 8.9 | 7.85 | 69 | 7290 | 34.5 | 526 | 18.55 | 76% |
| GWS HD 9x5 | 1 | 9.9 | 9.25 | 91 | 7920 | 37.5 | 627 (4x= 2508g) máximo | 22.12 | 74% |
| APC E 10x5 | 1 | 6.9 | 7 | 48 | 5610 | 26.6 | 406 | 14.32 | 75% |
| APC E 10x5 | 1 | 7.9 | 8.45 | 66 | 6120 | 29.0 | 505 | 17.81 | 72% |
| APC E 10x5 | 1 | 8.9 | 9.9 | 88 | 6690 | 31.7 | 604 | 21.31 | 70% |
| APC E 10x5 | 1 | 9.9 | 11.45 | 113 | 7170 | 34.0 | 702 | 24.76 | 67% |
| APC E 10x5 | 1 | 10.9 | 13 (perigo) | 141 | 7650 | 36.2 | 802 | 28.29 | 65% |
| GWS HD 10x6 | 1 | 6.9 | 7.2 | 49 | 5610 | 31.9 | 424 | 14.96 | 75% |
| GWS HD 10x6 | 1 | 7.9 | 8.7 | 68 | 6180 | 35.1 | 526 | 18.55 | 72% |
| GWS HD 10x6 | 1 | 8.9 | 10.1 | 89 | 6690 | 38.0 | 617 | 21.76 | 70% |
| GWS HD 10x6 | 1 | 9.9 | 11.7 | 115 | 7200 | 40.9 | 722 | 25.47 | 67% |
| GWS HD 10x6 | 1 | 10.9 | 13.25 (perigo) | 144 | 7680 | 43.6 | 817 | 28.82 | 65% |
| GWS HD 10x8 | 1 | 10.8 | 18.2 (perigo) | 196 | 6390 | 48.4 | 733 | 25.86 | 55% |
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| Dados de temperatura do motor (complementando a tabela anterior): [ref] http://www.rcgroups.com/forums/attachment.php?attachmentid=3996646 |
Com hélices de 8x4 os motores juntos conseguem levantar cerca de 2kg no máximo. Para maximizar a vida da bateria o peso máximo deve ser de 900g.
Com hélices de 9x5 os motores juntos conseguem levantar cerca de 2,5kg no máximo.
Para maximizar a vida da bateria o peso máximo deve ser de 1392g.
O peso estimado do drone (frame[240g]+motores[4x51=204g]+esc[4x27g=108g] -> 552g)
Ainda falta somar as hélices e placas de controle, sensores e bateria.
Baterias (LiPo)
Bateria - LiPo 5000mAh 50C -> 5 x 50 = 250A de corrente de pico.
Banco de baterias nuclear - NanoTritium betavoltaic
Microncontralador ( CPU + RAM + FLASH )
Para o sistema de estabilização, anti-colisão, controle e comunicação podemos usar um microcontrolador com FreeRTOS ou um sistema com mais recursos para usar Linux.
Para FreeRTOS existem diversos kit de baixo custo (até US$ 20) com JTAG já embutida.
Texas
ST
Para Linux também existem diversas placas de baixo custo, com 512MB de RAM e cartão SD de até 64GB. Tudo de baixo custo (até $50)
Raspberry Pi
Beaglebone
Comunicação via RF ISM (433MHz / 915MHz)
Existem diversos rádio na banda de automação industrial que podem ser usados para controle remoto do drone. Todos de baixo custo (até US$ 5).
Texas CC1101
ST Spirit
Comunicação via WIFI (2.4Ghz / 5GHz)
Existem soluções de WIFI embarcado
Texas CC3000
http://dx.com/p/rt5350f-serial-port-ethernet-network-wireless-network-conversion-module-w-shielding-cover-239155 (cerca de $16)
Comunicação via GSM Quad Band
Existem soluções para usar a conexão de dados da rede celular.
Placa com SIM900 um SOC para GSM 850/900/1800/1900 Mhz
(cerca de $47)
Navegação e automação por GPS
Soluções de GPS embarcado
Navegação por Bússola
HMC5883L - ótima para navegar onde não tem sinal de GPS disponível
Giroscópio de 3 eixos + Acelerômetro de 3 eixos (estabilizador)
MPU6050 - Sensor da Invense 6 DOF
http://dx.com/p/gy-521-mpu6050-3-axis-acceleration-gyroscope-6dof-module-blue-154602
Sensor de distância até 5 metros (anti-colisão)
6 x Sonar - - evitar colisão nos eixos x,y,z
(em breve como construir um sonar)
Sensor de pressão (altitude)
MS5611-01BA03 -Altímetro com precisão de +-10cm
BMP085 - Altímetro da BOSH com precisão de +-25cm segundo o datasheet
Câmeras
Existem soluções prontas de alta definição e também versões embarcadas.
ov7670 300kpixel 640x480 vga 30fps
Referências:
[ 1 ] http://www.scoutuav.com/
[ 4 ] http://www.geek.com/science/spacex-video-shows-grasshopper-rocket-making-a-sci-fi-landing-1561397/
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