O quadrirrotor

O VANT usado para validação dos controladores propostos foi o AR.Drone (Figura 5.1), disponível comercialmente e fabricado pela empresa francesa Parrot. Esse veículo tem sido usado em algumas universidades para pesquisa em robótica móvel, controle e navegação devido ao baixo custo e quantidade de instrumentos disponíveis (KRAJNÍK

CAPÍTULO 5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS 94

et al., 2011): “[. . . ] o projeto é um exemplo de uso sofisticado de sensores de baixo

custo (MEMS e câmeras) para mercados de massa em que o preço de venda é da maior importância”.

O AR.Drone (versão 1.0) pesa 420g e é equipado com quatro motores sem escovas presos a hastes de fibra de carbono e um corpo de plástico. Dispõe de duas câmeras, uma voltada para a frente e outra apontada verticalmente para baixo. Possui dois tipos de coberturas plásticas distintas, uma para ser usada em ambientes externos (apenas uma capa para o compartimento da bateria) e outra para ambientes internos, que inclui, ainda, proteções de poliestireno expandido para as hélices. É alimentado por uma bateria capaz de fornecer energia para o sistema em voo por aproximadamente doze minutos.

(a) (b)

FIGURA 5.1 – Quadrirrotor AR.Drone, versão 1.0, desenvolvido pela Parrot. (a) com capa para ambientes internos; (b) com capa para ambientes externos.

Esse veículo possui duas placas, uma de controle e outra de sensores. A placa de controle é composta por um processador ARM9 operando a 486 MHz com 128 MB de memória DDR RAM a 200 MHz. Esse processador roda um sistema operacional baseado em Linux e é responsável por todos os cálculos, comunicação e controle. A placa de controle adquire dados dos sensores e envia comandos para os rotores a 200 Hz. O usuário (ou o computador remoto) pode especificar a rolagem, arfagem, guinada e

CAPÍTULO 5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS 95 velocidade vertical. No entanto, esses comandos são recebidos pela placa de controle a uma taxa de 30 Hz. A Figura 5.2 mostra um diagrama de blocos com estrutura interna do quadrirrotor e setas que indicam o sentido do fluxo de informações. O AR.Drone possui um chip para redes sem fio responsável por estabelecer a conexão com o computador remoto AR.Drone Placa de sensores Rotores Placa de controle Operador ou computador remoto

FIGURA 5.2 – Diagrama da estrutura interna comunicação do AR.Drone.

A placa de sensores usa um microcontrolador PIC operando a 40 MHz como interface para os sensores: uma acelerômetro de três eixos, um giroscópio de dois eixos, um giroscópio vertical de um eixo e dois sensores ultrassônicos. Os sensores ultrassônicos servem para estimar a altitude do aparelho. O acelerômetro e os giroscópios constituem uma unidade de medidas inerciais (IMU) de baixo custo (aproximadamente 10 USD em 2010) (BRISTEAU et al., 2011).

A câmera frontal tem lente grande angular com campo de visão em torno de 75° por 60° e resolução de 320 por 240 píxeis. A vertical, que também é usada para estimar a velocidade em relação ao solo, tem lente com campo de visão de aproximadamente 45° por 35° e resolução de 176 por 144 píxeis. Ambas transmitem a uma taxa de 15 quadros por segundo (PISKORSKI et al., 2012). As duas câmeras fornecem imagens ruidosas e com distorções visíveis. A Figura 5.3 mostra uma imagem capturada pela

CAPÍTULO 5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS 96 câmera frontal do veículo.

FIGURA 5.3 – Imagem capturada pela câmera frontal do AR.Drone.

O fornecedor do equipamento disponibiliza uma interface de programação de aplica- tivos (API) usando a linguagem de programação C++. É possível desenvolver programas que usam informações dos sensores, incluindo câmeras, e enviam sinais de controle. Contudo, para a realização destes experimentos, utilizou-se uma versão compacta dessa API (KRAJNÍK et al., 2011), também em C++. Essa versão compacta fornece os seguintes dados sobre o AR.Drone: ângulos φ, ✓ e , velocidades v_xe v_ye altitude — a velocidade

v_znão está disponível. A velocidade nominal máxima de translação é de 5 m/s.

Todos os experimentos foram feitos usando a cobertura para ambientes internos, mostrada na Figura 5.1a. Mais detalhes sobre o hardware do AR.Drone podem ser encontrado em Bristeau et al. (2011) e Piskorski et al. (2012).

5.2.1.1 Alguns problemas do AR.Drone e da API

Os sinais de controle do IBVS são velocidades lineares e angulares. Porém, o AR.Drone é controlado em função dos ângulos de rolagem, arfagem e guinada. Valores muito baixos dos sinais de controle não alteram a postura do veículo, fazendo com que surja uma faixa morta de comandos. O veículo apresenta uma translação indesejada paralela ao solo (drift) quando os sinais de controle de rolagem e arfagem são pequenos ou nulos. O fabricante relata no manual de desenvolvimento (PISKORSKI et al., 2012) que "com os valores de rolagem e arfagem configurados para zero, o veículo permanecerá

CAPÍTULO 5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS 97

resistência do ar o fará parar."

Verifica-se visualmente que o AR.Drone é sensível a perturbações do ambiente. O vento causado pelo reflexo no chão, teto e paredes do ar movimentado por suas hélices é capaz de deslocá-lo.

A API não fornece nenhuma informação de posição espacial. Tal limitação impede garantir repetibilidade de condições iniciais e finais e análise do erro na posição espacial.

5.2.1.2 Calibração da câmera frontal

O fornecedor do AR.Drone não disponibiliza os parâmetros intrínsecos das câmeras embarcadas. Portanto, realizou-se o procedimento de calibração para determinar tais parâmetros usando a ferramenta calibrate2dGrid da biblioteca ViSP (MARCHAND; SPINDLER; CHAUMETTE, 2005). Como o IBVS é robusto a erros de calibração, o critério usado não foi rigoroso. O valores encontrados estão descritos na Tabela 5.1.

CAPÍTULO 5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS 98

TABELA 5.1 – Parâmetros intrínsecos da câmera frontal do AR.Drone identificados por calibração.

Parâmetro Valor Descrição

u₀ 154,33130 Coordenada horizontal em píxeis do ponto principal v0 117,10655 Coordenada vertical em píxeis do ponto principal

p_x 208,01927

Relação entre distância focal e dimensão horizontal do píxel

p_y 207,53371

Relação entre distância focal e dimensão vertical do píxel

k_ud 0,02023 Parâmetro de distorção radial de conversão xy–uv k_du −0,02033 Parâmetro de distorção radial de conversão uv–xy