PLATAFORMA EXPERIMENTAL PARA MODELAGEM

PLATAFORMA EXPERIMENTAL PARA MODELAGEM MATEMÁTICA DE MÓDULOS
PROPULSORES ELÉTRICOS
MANUEL M. P. REIMBOLD1, AIRAM SAUSEN1, PAULO SAUSEN1, LUIS F. SAUTHIER1, FLAVIO KIECKOW2
Laboratório de Robótica, Departamento de Ciências Exatas e Engenharia, UNIJUI
Rua Lulu Ingelfritz, Nº 480, Bairro São Geraldo - CEP 98.700-000 – Ijuí (RS)
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
1.
2. Laboratório de Mecânica, Departamento das Engenharias e da Ciência da Computação, URI
Rua Universidade das Missões, Nº 464 - CEP: 98.802-470 - Santo Ângelo (RS)
[email protected]
Abstract In Unmanned Aerial Vehicle the stability depends on the propulsion system, which consists by propeller, brushless
cc motor, and electronic speed controller. This set has non-linear dynamic performance, making the mathematical modeling
realization essential, for control techniques implementation. The model is obtained by System Identification theory, from data
input output relationship, which are extracted from experimental platforms. The purpose of this paper is to present the data
acquisition system developed in laboratory; it is used to test electric propulsion modules. The developed system follows the
methodology: creation, design, simulation, integration and testing, applied in each module and in the system as a whole. The
resultant prototype consists of three blocks: seesaw, data acquisition console and processing, and software. In this way, the
prototype allows monitoring of thrust, angular velocity, current and electric potential difference of the battery. The developed
system consists of a measuring instrument that can be used as resources for teaching and research in undergraduate and graduate
programs.
Keywords
 Robotic, VANTS, Data Acquisition, Testing Platform.
Resumo Nos Veículos Aéreos Não Tripulados a estabilidade depende do sistema de propulsão, que é composto por hélice,
motor cc brushless e controlador eletrônico de velocidade. Este conjunto apresenta um desempenho dinâmico não linear,
tornando a realização da modelagem matemática, para a implementação de técnicas de controle, fundamental. O modelo é
obtido da teoria de Identificação de Sistemas a partir da relação saída-entrada de dados, os quais são extraídos de plataformas
experimentais. O objetivo deste trabalho consiste em apresentar o sistema de aquisição de dados desenvolvido em laboratório
que é utilizado no ensaio de módulos de propulsão elétrica. Seu desenvolvimento obedece à metodologia: concepção, projeto,
simulação, integração e realização de testes, aplicadas a cada módulo e ao sistema como um todo. O protótipo resultante é
composto por três blocos: gangorra, console de aquisição e tratamento de dados, e software. Dessa forma, o protótipo permite
monitorar empuxo, velocidade angular, corrente e diferença de potencial elétrico da bateria. O sistema desenvolvido constitui-se
em um instrumento de medição que pode ser utilizado como recurso de ensino e pesquisa em cursos de graduação e pós
graduação.
Palavras-chave
 Robótica, VANTs, Aquisição de dados, Plataforma de Testes.
1
Introdução
Um VANT (Veículo Aéreo Não Tripulado) ou UAV
(Unmanned Aerial Vehicle) é uma aeronave que não
necessita de um piloto embarcado para ser dirigida
(PAULA, 2012). Normalmente, os VANTs são
usados em tarefas que colocam em risco a vida ou a
segurança
dos
pilotos.
Segundo
a
MARKTESANDMARKETS (2014), o valor das
vendas dessas aeronaves aumentará de USD 7,098
bilhões registrados em 2013 para USD 8,351 bilhões
até 2018.
Entre os VANTs que se destacam atualmente
estão os que possuem capacidades de sustentação,
navegação e aterragem vertical ou VTOL (Vertical
Take-Off and Landing). A arquitetura destes obedece
a um arranjo de vigas rígidas fixadas a um ponto
comum (base). Em cada viga é colocado um sistema
de propulsão eletromecânica, o qual se constitui de
hélice, motor de corrente continua e controlador
eletrônico de velocidade, como ilustrado na Figura 1.
Figura 1. Sistema de Propulsão Eletromecânica.
A mobilidade, estabilidade e percepção
tridimensional dessas aeronaves dependem da relação
entre a velocidade angular e o empuxo do sistema de
propulsão. Esse desempenho comportamental tem
sido descrito utilizando modelagem matemática
fenomenológica ou caixa branca. Porém, estas
técnicas não são eficientes quando alguns fenômenos
são difíceis de deduzir, ou há o desconhecimento de
leis físicas que os regem, ou elas são tão complexas
que tornam a utilização dos modelos matemáticos
impraticáveis pela limitação de tempo e de recursos.
A Identificação de Sistemas é uma área do
conhecimento que estuda técnicas alternativas à
modelagem matemática caixa branca (Aguirre, 2004).
Na aplicação destas técnicas exige-se pouco ou
nenhum conhecimento prévio do sistema, entretanto,
os dados dos sinais de entrada e de saída são
fundamentais na obtenção do modelo. Ao conjunto
dessas técnicas denomina-se de "identificação caixa
preta ou modelagem empírica" (Ljung, 1994), e os
modelos
resultantes
são
fisicamente
mais
significativos. Os dados são coletados a partir dos
terminais do sistema, reduzindo a possibilidade de
um colapso mecânico ou elétrico. Isto torna a
identificação um processo não invasivo e, portanto,
passível de ser utilizado na modelagem matemática
de módulos de propulsão eletromecânica.
Para empregar as técnicas de Identificação de
Sistemas nesta investigação, uma plataforma para
experimentação, aquisição e tratamento de dados foi
desenvolvida. O principal objetivo deste artigo
consiste em apresentar o sistema de experimentação,
aquisição e tratamento de dados projetado nos
laboratórios do GAIC (Grupo de Automação
Industrial e Controle) da UNIJUI, o qual é utilizado
no ensaio de módulos de propulsão elétrica. Seu
desenvolvimento obedece à metodologia: concepção,
projeto, simulação, integração e realização de testes,
aplicada a cada módulo e ao sistema como um todo.
Cabe salientar que a orientação de um VANT do
tipo multirrotor demanda três movimentos no espaço:
pitch, roll e yaw. Estes são realizados sobre os eixos
originados a partir do centro de massa da aeronave.
Portanto, a expectativa deste trabalho consiste em
obter know-how suficiente para desenvolver novas
plataformas de ensaio. Estas deverão permitir a
modelagem matemática do desempenho de módulos
propulsores eletromecânicos nos três eixos.
Este trabalho está organizado em 4 seções. Na
Seção 2 é apresentado o objeto de estudo: Módulo de
Propulsão Eletromecânico. Os blocos e os circuitos
eletrônicos que constituem a plataforma são definidos
na Seção 3. Na Seção 4 são expostos os resultados e
as discussões. Finalmente, na Seção 5, são
apresentadas a conclusão e a proposta para trabalhos
futuros.
2 Módulo Propulsor Elétrico
Propulsão é o processo de alterar o estado de
movimento ou de repouso de um corpo em relação a
um dado sistema de referência (Rodrigues, 2009).
Esse processo é realizado por vários meios, usando-
se fontes de energia diversas. A propulsão elétrica
utiliza energia elétrica para acelerar o propelente e
produzir empuxo. As fontes de energia elétrica
(painéis solares, baterias, etc) são, normalmente,
separadas do mecanismo que produz o empuxo.
O módulo de propulsão eletromecânica, objeto
de estudo neste trabalho é constituído de hélice,
motor BLDC (Brushless Direct Current) e
controlador de velocidade ESC (Electronic Speed
Control) conforme ilustrado na Figura 2.
Figura 2. Esquema do sistema propulsor elétrico sem a hélice.
Hélice
A hélice é um termo que designa um conjunto de
pás fixadas em um cárter ou cubo central, onde cada
pá é caracterizada pela forma da ponta, borda de fuga
e borda de ataque como ilustrado na Figura 3.
Figura 3. Hélice e suas partes.
Cada pá de uma hélice é, essencialmente, uma
asa rotativa. Ao haver rotação segundo um eixo, há
propulsão, e cada pá descreve uma trajetória
helicoidal no espaço. Consequentemente, a hélice
empurra o que está em redor (geralmente fluido)
convertendo dessa forma, energia rotacional em
translacional, deslocando assim o objeto no qual está
acoplada.
As pás agem como asas e produzem força
obedecendo ao princípio de Bernoulli e à 3ª lei de
Newton, criando uma diferença de pressões entre
ambas as superfícies das pás. A quantidade de
movimento que passa por ela, gera uma reação que
acelera o corpo contra o deslocamento de ar
denominado de empuxo.
Valores de empuxo e torque dependem das
diversas características construtivas da hélice, como
o número de pás, o tipo de material, o diâmetro, o
passo, entre outras (Silva, 2011). A força necessária
para girar as pás é fornecida por um motor.
Motor BLDC
Gangorra
O motor BLDC se caracteriza por não possuir
ponto de contato entre rotor e estator. Outra
característica é o imã permanente que gira em torno
do próprio eixo. São motores que apresentam
potência elevada, alto torque, baixa inercia, menor
tamanho, operação silenciosa, entre outras. No caso
do motor que utiliza três fases, as bobinas são
inseridas no estator formando três grupos distintos,
conectados em delta e defasados 120° um em relação
a outro (Ver Figura 4).
A gangorra tem como base o princípio da
alavanca. Numa das extremidades é colocado o
módulo propulsor elétrico e, na outra extremidade
uma balança. O suporte do motor brushless pode ser
deslocado ao longo da estrutura dependendo das
características do ensaio. Isso torna o equipamento
flexível na utilização de motores de maior e menor
potência elétrica. A concepção da gangorra é
ilustrada na Figura 6.
Figura 6. Concepção da gangorra para ensaios.
Figura 4. Diagrama do motor brushless.
Controlador de Velocidade - ESC
O ESC é um sistema que se divide em dois
blocos: um de controle e outro de potência como
ilustrado na Figura 5.
Console
O console de controle faz a ligação entre a
gangorra, o computador e o usuário. Esse é
totalmente eletrônico e sua função é adquirir e
verificar dados de diversas grandezas como diferença
de potencial elétrico do controlador de velocidade
(VESC), corrente elétrica consumida pelos motores
(IESC) e, modulação da largura do pulso (Tp) que
controla a velocidade do motor. Os dados são
coletados e tratados por três microcontroladores
PIC18f4550. A Figura 7 mostra um esquema do
console.
Figura 5. ESC (Electronic Speed Control).
O primeiro bloco é constituído por um
microcontrolador. A partir de um sinal PWM (Pulse
Width Modulation), o microcontrolador gera três
sinais PWM trapezoidais e defasados de 120º. O
segundo bloco do ESC é constituído por transistores
MOSFETS, dois por fase. O liga e desliga desses faz
a excitação do respectivo enrolamento provocando o
giro do motor.
3 Plataforma Experimental
O objetivo da plataforma experimental é obter dados
dos sinais de excitação e resposta do módulo de
propulsão elétrica. Ela se constitui em três blocos:
gangorra, hardware e software para condicionamento
e tratamento de dados.
Figura 7. Esquema do console de aquisição e tratamento de
dados.
Os três microntroladores PIC18f4550 gerenciam
o processo de aquisição das variáveis físicas,
controlam o mostrador de dados, modulam a largura
do pulso e, enviam os dados ao PC (Personal
Computer) via porta USB (Universal Serial Bus). O
controle da largura do pulso tem duas possibilidades.
Uma é por meio dos potenciômetros do console. E a
outra é por software. A seguir serão apresentados os
circuitos de aquisição de velocidade, corrente e
diferença de potencial da bateria. Estas duas últimas
permitem verificar a potência consumida pelo motor.
Aquisição da Velocidade
Figura 9. Circuito para aquisição da velocidade angular.
Aquisição da corrente
Para a aquisição de velocidade foi utilizado
sensor óptico TCRT5000 inserido num circuito
eletrônico como ilustrado na Figura 8.
Figura 8. Circuito eletrônico do sensor óptico TCRT5000.
Seu princípio de funcionamento se baseia na
reflexão ou não do feixe de luz infravermelho quando
utilizadas superfícies claras ou escuras. Dessa forma,
o sensor é composto por um LED emissor, e um foto
transistor como receptor. Seu principio de
funcionamento é semelhante a um interruptor,
gerando uma forma de onda quadrada no terminal de
saída. Esta pode ser interpretada pela interrupção
externa de um microcontrolador. Entretanto, com a
indisponibilidade da interrupção externa, é necessário
um conversor de frequência para tensão.
O circuito integrado LM331 é o componente
utilizado para essa finalidade. Este componente
consiste num conversor de frequência para tensão,
indicado para conversão analógico-digital, integração
de longo termo e demodulação linear de frequência,
entre outras. A conversão para valores de frequência
é realizada a partir da equação 1 disponibilizada pelo
fabricante.
Outro ponto importante no projeto é a aquisição
da corrente de consumo dos motores. Os motores
brushless possuem 3 fases. Sendo assim cada fase
consome 1/3 da corrente total dos motores. O
monitoramento do consumo de corrente é feito por
um sensor conectado na alimentação do ESC. Como
a corrente consumida pelo sistema de controle do
ESC é muito menor que a corrente nominal do motor,
a corrente do sistema de controle do ESC pode ser
desconsiderada. O sensor selecionado, uma vez que
atende os requisitos de projeto, é o LA25NP.
O circuito eletrônico da aquisição da corrente é
ilustrado na Figura 10.
Figura 10. Circuito eletrônico da aquisição de corrente do
motor brushless.
No circuito da Figura 10, os componentes
passivos formam um filtro passa baixo. A finalidade
é filtrar ruídos, uma vez que estes podem interferir na
mensuração da corrente. O diodo zener visa proteger
o canal analógico do microcontrolador. Valores
superiores a 5,0V podem danificar o canal analógicodigital.
Aquisição da diferença de potencial da bateria
(1)
A equação (1) pode agora ser implementada no
microcontrolador, e a partir da conversão A/D do
mesmo, obter a velocidade angular do motor. Assim
é possível definir o circuito de aquisição da
velocidade angular do motor, conforme ilustrado na
Figura 9.
Uma bateria de LiPo é composta de duas ou mais
células de carga. Cada célula possui uma tensão
nominal 3,7V. Desta forma, uma bateria 2S, significa
que ela é composta de duas células de 3,7V,
formando uma bateria de 7,4V. Uma bateria de 3S (3
células) é composta por 3 células fornecendo 11,1V.
A utilização do tipo (número de células) de bateria é
definida a partir do motor. O motor brushless possui
em suas características a tensão máxima de trabalho,
que é diretamente relacionada à velocidade de giro
do motor. As células das baterias são conectadas em
série como mostrado na Figura 11.
escrito utilizando C#. A partir da emulação de uma
porta USB (função OTG), o usuário consegue
controlar o fluxo de dados comunicando-se com o
microcontrolador.
O software em C# permite visualizar os dados
em forma tabulada e gráfica, e imprime relatórios em
formato *.txt das variáveis envolvidas no ensaio
experimental como ilustrado na Figura 14.
Figura 11. Estrutura de bateria LiPo de três células.
O monitoramento da diferença de potencial
elétrico de cada célula é necessário, uma vez que sua
redução influência o desempenho do sistema módulo
propulsor elétrico. O circuito eletrônico para
monitoramento das células da bateria é ilustrado na
Figura 12.
Figura 12. Circuito de aquisição da tensão.
A aquisição da diferença de potencial da bateria
é extremamente fundamental para preservar a vida
útil da mesma. A Figura 13 ilustra o nível mínimo de
tensão que cada célula pode atingir sem danificar a
bateria.
Figura 14. Plataforma virtual para controle e tratamento de dados.
Uma função implementada no software é o
monitoramento da carga da bateria. Ao atingir o nível
mínimo, como indicado no gráfico da Figura 13, o
programa desliga o motor imediatamente. Um sinal
sonoro indica a descarga completa da bateria,
alertando o usuário da plataforma.
A velocidade dos motores é também ajustada na
tela conforme se observa na Figura 14. Tal ação pode
ser realizada de duas formas. Primeiramente por meio
da barra horizontal localizada imediatamente abaixo
do ícone “Enviar”. E num segundo momento
utilizando a caixa de texto, informando o valor do
ciclo de trabalho (Duty Cycle) do PWM. Os dados
obtidos podem ser salvos em formato *.txt clicando
no ícone “Salvar”. Neste caso, por conveniência, os
arquivos produzidos foram lidos utilizando Excel
e/ou Matlab. Para limpar a tela onde os dados foram
listados, basta clicar no ícone “Limpar Dados”.
4 Resultados
Figura 13. Desempenho de descarga de uma célula.
Software
O software desenvolvido visa controlar a
comunicação entre o console e o PC. Para isto dois
programas
são
implementados,
um
no
microcontrolador e outro no PC. Neste o software foi
A coleta de dados é parte importante na Identificação
de Sistemas. Por meio deles é possível modelar
matematicamente o sistema em estudo. Este trabalho
investigativo
desenvolveu
uma
plataforma
experimental para obter dados de entrada e saída
visando testar módulos de propulsão elétrica. Dois
resultados foram obtidos. Primeiro a plataforma para
aquisição e tratamento de dados e segundo, a
obtenção dos dados satisfatórios das grandezas
físicas envolvidas na modelagem matemática.
A plataforma apresentou leveza e baixo custo
como esperado. Os principais materiais empregados
na confecção da plataforma foram PVC (Policloreto
de Vinila) e alumínio. Sua finalização é ilustrada na
Figura 15.
investigado. O desempenho obtido é mostrado na
Figura 17.
Figura 15. Plataforma de Ensaios para módulos propulsores
elétricos.
A plataforma permite obter a corrente e a
velocidade angular do motor. Para os primeiros testes
se utilizou, como sinal de entrada, o perfil de
corrente ilustrado na Figura 16. Observa-se nesta que
o perfil é uma composição de degraus, e uma vez que
a corrente é solicitada o motor se comporta com um
sistema subamortecido. Isto conduz a pensar que o
motor brushless pode ser modelado matematicamente
por uma equação diferencial de segunda ordem.
Figura 16: Perfil da corrente duty cycle do PWM.
No perfil da Figura 16 é possível notar que
variando o duty cycle do PWM, aproximadamente na
faixa de 60% a 75%, a corrente máxima entregue ao
motor brushless é de aproximadamente 14A.
Acredita-se num primeiro instante que tal limitação é
consequência do ESC.
Com o perfil da Figura 16 mudando o duty cycle
foram coletados dois conjuntos de amostras. O
primeiro conjunto foi utilizado para obter o modelo
matemático do módulo propulsor elétrico. Esse
conjunto apresentou o desempenho ilustrado na
Figura 17.
Figura 17: 2ª. Amostra: Rotação versus corrente.
A rotação máxima obtida ficou próximo a
10.000 rpm (rotações por minuto). Ao analisar os
gráficos, percebe-se que há contaminação dos dados
com ruído. Entretanto, isto se apresentou de forma
vantajosa, uma vez que as técnicas utilizadas se
mostraram robustas na obtenção do modelo.
5 Conclusão
O desenvolvimento deste trabalho teve duas etapas.
A primeira etapa consistiu em conceber, projetar e
desenvolver a plataforma experimental. E a segunda
etapa consistiu na aquisição de dados para validação
funcional da plataforma. Os sinais adquiridos para
desenvolver a modelagem matemática do módulo
propulsor elétrico apresentaram-se altamente
poluídos. Embora não fosse a expectativa, estes
permitiram testar inicialmente algumas técnicas de
identificação. A robustez dessas foi satisfatória. Por
tanto, a plataforma vem ao encontro de estudos a
serem realizados posteriormente, constituindo-se em
um instrumento de medição, o qual será utilizado
como recurso de ensino e pesquisa em cursos de
graduação e pós graduação. Dois trabalhos de
investigação são imediatos. O primeiro visa conceber
uma nova plataforma de ensaios utilizando célula de
carga. O segundo consiste na substituição dos
microcontroladores
PIC18f4550
por
um
microcontrolador arm 32 bits córtex stm32f103. A
expectativa é melhorar o desempenho do console.
Agradecimentos
Os autores agradecem à FAPERGS as bolsas
concedidas para a execução deste trabalho
investigativo.
Referências Bibliográficas
Figura 17: 1ª. Amostra: Rotação do motor versus corrente.
O segundo conjunto de dados foi utilizado para
validar o desempenho do modelo matemático
Aguirre, L. A. (2004) Introdução à Identificação de
Sistemas: Técnicas Lineares e Não-Lineares
Aplicadas a Sistemas Reais. 2ª. ed. Belo
Horizonte: UFMG.
Ljung, L. (1999) Systems Identification. Theory for
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MARKTESANDMARKETS. Unmanned Aerial
Vehicle (UAV) Market (2013 - 2018), 2014.
Disponivel em: <http://www.marketsandmarkets.
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Silva, L. P.; Cordeiro,C. S. (2011) Quadricóptero,
aspectos gerais e análises da propulsão elétrica.
Instituto Federal Fluminense, Rio de Janeiro.
Rodrigues, L. E. M. (2009) Fundamentos da
Engenharia Aeronáutica – Aplicações ao Projeto
AS E-AeroDesign. Princípios Fundamentais,
Aerodinâmica, Propulsão e Análise de
Desempenho. 1a ed rev. – Instituto Federal de
Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo,
São Paulo.