Piloto Automatico

Nota

Este topico consiste em um resumo das informações disponíveis na pagina Getting Started - PX4.

Introdução

O PX4 é um piloto automático profissional de código aberto, desenvolvido tanto para atividades industriais quanto pela classe acadêmica, sendo apoiado pela comunidade mundial ativa. O PX4 pode ser executado em várias placas controladoras de voo. Merecendo destaque os controladores de voo de hardware aberto da série PixHawk, executando o PX4 no NuttX OS [1].

Dadas as opções de placas controladoras de voo disponíveis no mercado, escolheu-se o Pixhawk1 como piloto automático por seu melhor custo beneficio para o projeto.

O Pixhawk atua em diversos tipos de veículos, desde drones de corrida, monitoramento e carga a veículos terrestres e submersíveis para os mais diversos fins. Nesta documentação, focaremos na aplicação em aeronaves, onde o Pixhawk atua como um controlador de voo de uso geral, responsável pela aquisição, condicionamento e processamento de sinais provenientes dos sensores da aeronave e pelo controle dos atuadores da aeronave.

Ele oferece um ambiente de desenvolvimento compatível com sistemas Unix e Linux, facilitando o desenvolvimento de aplicações de software. O sistema Pixhawk possui capacidade de multithreading [2], ou seja, pode executar várias tarefas simultaneamente sem que uma interfira na outra através do compartilhamento de recursos do processo. Além disso, ele possui funções de piloto automático integrado com logs detalhados de missões e comportamento de voo [3].

Conceitos Básicos

Este tópico apresenta alguns conceitos básicos a respeito de veículos aéreos não tripulados e o uso da plataforma PX4.

Veículo aéreo não tripulado (VANT ou drone)

Um VANT é todo e qualquer tipo de aeronave que pode ser controlada nos 3 eixos de liberdade e não necessita de pilotos embarcados para ser guiado, podendo ser controlado remotamente ou autonomamente.

O “cérebro” de um drone é chamado de piloto automático, um instrumento responsavel por controlar a trajetória de voo da aeronave. Referindo-se a VANTs, o piloto automático consiste em um software de controle de voo sendo executado em um hardware especifico para a mesma função.

Estação de Controle em Solo (ECS)

Uma Estação de Controle em Solo (ECS), do inglês Ground Control Station (GCS), é uma plataforma de controle, normalmente uma aplicação de software sendo executada em um computador em solo, que se comunica com os VANTs por telemetria sem fio e provê aos operadores humanos o controle das aeronaves.

A estação em solo entrega ao controlador diversos dados em tempo real sobre o desempenho e posição dos VANTs e pode até servir como um «cockpit virtual», fornecendo muitos dos mesmos instrumentos que um piloto teria caso estivesse pilotando um avião. Contudo, um software de Controle em solo é normalmente utilizado para o planejamento, envio das missões de voo e definição de parâmetros de voo.

Existem mais de dez estações de controle em solo diferentes. Na área de controle de VANTs, os principais controladores são Mission Planner, APM Planner 2, MAVProxy, QGroundControl e UgCS. Para Tablet/Smartphone, há Tower (DroidPlanner 3), MAVPilot, AndroPilot e SidePilot. [4]

Plataforma Dronecode

O PX4 faz parte da Dronecode Plataform, uma plataforma completa para desenvolvimento de drones, sob uma licença de código aberto a comunidade. Incluindo, entre outras, os controladores PX4, a estação de controle terrestre QGroundControl, o Dronecode SDK e o Dronecode Camera Manager. [5]

Sensores

Os sistemas baseados em PX4 utilizam diversos sensores para determinar o estado do veículo (sendo estes essenciais para a estabilização e para possibilitar o controle autônomo). Os estados do veículo incluem: posição, direção, velocidade, velocidade do ar, orientação (atitude), taxas de rotação em diferentes direções, nível da bateria, etc.

O sistema requer minimamente um giroscópio, acelerômetro, magnetômetro (bússola), barômetro e um sensor de velocidade do ar para o caso de asas fixas (caso do projeto). É necessário ainda um GPS ou outro sistema de posicionamento para ativar todos os modos automáticos e alguns modos assistidos.

Os controladores da série Pixhawk já vem com um conjunto mínimo de sensores incorporados. Sensores adicionais/externos podem ser conectados ao controlador.

GPS e bússola

O PX4 suporta vários receptores e bússolas (magnetômetros) do Sistema de Navegação Global por Satélite (Global Navigation Satellite System - GNSS). Além de suportar os Receptores GPS Real-time Kinematic (RTK), otimizando os sistemas de GPS a uma precisão em nível de centímetros.

Nota

Os controladores da série Pixhawk incluem uma bússola interna, porém recomendamos o uso de um módulo externo de bússola + GPS (compass/GPS), sendo este montado o mais longe possível dos cabos de alimentação dos motores para reduzir a interferência eletromagnética.

O PX4 suporta a conecção de até 4 magnetômetros internos ou externos, embora apenas um seja realmente utilizado para orientação. O sistema escolhe de forma automática a melhor bússola disponível com base em sua prioridade (bússolas externas têm maior prioridade). Se a bússola principal vier a falhar durante o voo, o sistema seleciona a aproxima maior prioridade. Caso a falha ocorra antes do voo, o carregamento plano de voo será negado.

Mais informações e a lista de GPS/bússola suportados pode ser encontradas em GPS/Compass.

Velocidade do ar

Dica

Os sensores de velocidade do ar são altamente recomendados para o funcionamento seguro de um VANT asa fixa ou VTOL (Vertical Take-Off and Landing - Decolagem e Aterragem Vertical).

O voo de um VANT asa fixa depende da velocidade do ar, já que é este que garante sua sustentação em voo e não a velocidade em relação ao solo. O piloto automático não possui outros meios para detectar estol (perda de sustentação da aeronave em voo), por este motivo os sensores de velocidade do ar são muito importantes.

Mais informações e a lista de sensores de velocidade do ar suportados pode ser encontradas em Airspeed sensors.

Distância (telêmetros)

Os sensores de distância fornecem medição de distância em tempo real. Podendo ser óptico, quando baseado em um mecanismo de focalização, ou ultrassônico (ecotelêmetro ou telêmetro acústico), quando utiliza reflexões sonoras. Eles são utilizados para melhorar a precisão do pouso, prevenir colisões, acompanhar o terreno, aviso de limites de altura, etc.

O PX4 suporta uma grande variedade de sensores de distância, usando tecnologias diferentes e oferecendo suporte a diferentes recursos. Mais informações e a lista de sensores de distância suportados pode ser encontrada em Distance sensors.

Fluxo optico

O PX4Flow é uma câmera inteligente de fluxo óptico com um sensor de sonar embutido que pode rastrear movimentos. O PX4 combina os dados do sensor com as informações de outras fontes de posição (GPS, por exemplo) para fixar uma posição de forma mais precisa. Este sensor pode ser utilizado em ambientes fechados, quando não há sinal de GPS disponível.

A maior parte de suas aplicações é direcionada a aeronaves de asas rotativas.

Especificações do Pixhawk

  • Processador
    • 32-bit ARM Cortex M4 core with FPU
    • 168 Mhz/256 KB RAM/2 MB Flash
    • 32-bit failsafe co-processor
  • Sensores
    • MPU6000 as main accel and gyro
    • ST Micro 16-bit gyroscope
    • ST Micro 14-bit accelerometer/compass (magnetometer)
    • MEAS barometer
  • Power
    • Ideal diode controller with automatic failover
    • Servo rail high-power (7 V) and high-current ready
    • All peripheral outputs over-current protected, all inputs ESD protected
  • Interface
    • 5x UART serial ports, 1 high-power capable, 2 with HW flow control
    • Spektrum DSM/DSM2/DSM-X Satellite input
    • Futaba S.BUS input (output not yet implemented)
    • PPM sum signal
    • RSSI (PWM or voltage) input
    • I2C, SPI, 2x CAN, USB
    • 3.3V and 6.6V ADC inputs
  • Dimensões
    • Weight 38 g (1.3 oz)
    • Width 50 mm (2.0”)
    • Height 15.5 mm (.6”)
    • Length 81.5 mm (3.2”)
  • Itens inclusos
    • 1 x SanDisk Ultra micro SD Card (8GB)
    • 1 x MRC0225- Cable [3-Pins DF-13] to Switch+LED
    • 1 x MRC0224- Cable [2-Pins DF-13] to Buzzer
    • 1 x I2C Splitter
    • 2 x MRC0213- Cable [6-Pins JST-GH] to [6-Pins DF-13], (Telemetry Radio, Power module and Extra)
    • 1 x MRC0216- Cable [6-Pins DF-13] to [6-Pins DF-13], (For legacy products)
    • 4 x Damping Foams
    • 3 x Decals «APM Rover», «APM Copter» and «APM Plane»
[1]PX4 Autopilot User Guide. docs.px4.io
[2]Para mais informações a respeito de Multithreading (arquitetura computacional).
[3]Eduardo Moura Cirilo Rocha. 2017. Desenvolvimento de um sistema com veículos aéreos não-tripulados autônomos, Universidade de Brasília, Brasil.
[4]Choosing a Ground Station - Conter documentation. ardupilot.org
[5]Dronecode Platform, Basic Concepts, PX4 Autopilot User Guide. docs.px4.io