Piloto semi-automático para auxiliar na captura de vídeos usando veículos aéreos não tripulados

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DEPARTAMENTO ACADˆ

EMICO DE INFORM ´

ATICA

DEPARTAMENTO ACADˆ

EMICO DE ELETR ˆ

ONICA

GUSTAVO TEIXEIRA R ¨

UDIGER

PILOTO SEMI-AUTOM ´

ATICO PARA AUXILIAR NA

CAPTURA DE V´

IDEOS USANDO VE´

ICULOS A´

EREOS

N ˜

AO TRIPULADOS

TRABALHO DE CONCLUS ˜

AO DE CURSO

CURITIBA

(2)

PILOTO SEMI-AUTOM ´

ATICO PARA AUXILIAR NA

CAPTURA DE V´

IDEOS USANDO VE´

ICULOS A´

EREOS

N ˜

AO TRIPULADOS

Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia de Computa¸cão apresentado aos Departamentos Acadêmicos de Informática e Eletrônica da Uni-versidade Tecnológica Federal do Paraná como re-quisito parcial para obten¸cão do t´ıtulo de “Enge-nheiro em Computa¸cão”.

Orientador: Prof. Dr. Marco Aur´elio Wehr-meister

CURITIBA 2017

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Gostaria de agradecer ao professor Marco Aurélio Wehrmeister pelos conselhos e paciência como orientador deste projeto, aos amigos que me ajudaram emprestando equi-pamentos e importando componentes necessários e que me motivaram durante o processo, e finalmente à minha mãe me incentivou e me acompanhou todas as vezes que fiz voos de teste, filmando as tentativas fracassadas e bem sucedidas.

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TEIXEIRA R ÜDIGER, Gustavo. PILOTO SEMI-AUTOM ÁTICO PARA AUXILIAR NA CAPTURA DE VÍDEOS USANDO VEÍCULOS AÉREOS N ÃO TRIPULADOS. 101 f. Trabalho de Conclusão de Curso – Departamentos Acadêmicos de Eletrônica e Informática, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2017.

Este trabalho apresenta uma solu¸cão para facilitar o uso de VANTs (Ve´ıculos Aéreos Não Tripulados) por entusiastas para filmagens aéreas. Pilotos com pouca experiência têm dificuldade em realizar movimentos complexos. A ideia do projeto é permitir que mesmo pilotos pouco experientes consigam executar estes movimentos gra¸cas a um piloto semi-automático implementado na placa controladora do VANT. Para chegar neste resultado, foi utilizado um piloto-automático open source como base para desenvolver novos modos de voo. Estes novos modos de voo executam movimentos inspirados nas tecnologias utilizadas no cinema e suas técnicas de movimenta¸cão de câmeras. Após a realiza¸cão dos testes em simulador, um quadricóptero foi montado com o objetivo de realizar os testes práticos. Por fim, os modos de voo desenvolvidos além de facilitar a execu¸cão dos movimentos, os fazem em menor tempo e com maior qualidade.

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TEIXEIRA R ¨UDIGER, Gustavo. SEMI-AUTOMATIC PILOT FOR ASSIST RECOR-DING VIDEOS WITH UNMANNED AERIAL VEHICLES. 101 f. Undergraduation Course Final Project – Academics Departaments of Eletronics and Informatics, Federal University of Parana-Brasil(UTFPR). Curitiba, 2017.

This work presents a solution to facilitate the use of UAVs (Unmaned Aerial Vehicles) by aerial filmmaking enthusiasts. Beginners pilots with little experience have dificulties performing complex movements. This project aim to allow these pilots to perform these movements more easily with the help of an semi-autonomous pilot implemented on the UAV controller. To acomplish this, an open source autopilot software is used as base to develop new flight modes. This new flight modes execute movements that were created inspired by the tecnologies and camera moves used in cinema. After tests were made in a simulated enviroment, an quadricopter was assembled to make tests in a real enviroment. As result, the flight modes developed helped to execute the movements in less time and with better quality.

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– FIGURA 2.1 Tilt . . . 16 – FIGURA 2.2 Pan . . . 16 – FIGURA 2.3 Truck . . . 16 – FIGURA 2.4 Pedestal . . . 16 – FIGURA 2.5 Dolly . . . 16 – FIGURA 2.6 zoom . . . 16 – FIGURA 2.7 Steadicam . . . 17 –

FIGURA 2.8 Guindaste (Crane) . . . 18 –

FIGURA 2.9 Cable Cam . . . 18 –

FIGURA 2.10 Eixos do VANT . . . 20 –

FIGURA 2.11 Controle Modo 2 . . . 21 –

FIGURA 2.12 Circunferˆencia . . . 22 –

FIGURA 2.13 Espiral . . . 23 –

FIGURA 2.14 Curva Est´atica . . . 23 –

FIGURA 2.15 Curva Cont´ınua . . . 24 –

FIGURA 2.16 SOLO . . . 26 –

FIGURA 2.17 Phantom 4 . . . 27 –

FIGURA 2.18 Parrot Bebop 2 . . . 27 –

FIGURA 3.1 Tabela do fornecedor do Motor Brushless . . . 32 – FIGURA 3.2 PXFmini . . . 33 – FIGURA 3.3 PWM vs PPM . . . 34 – FIGURA 3.4 PPM SUM . . . 35 –

FIGURA 3.5 Foto do quadric´optero montado . . . 37 –

FIGURA 3.6 Arquitetura Ardupilot . . . 39 –

FIGURA 4.1 B´ussola do Ardupilot . . . 46 –

FIGURA 4.2 C´alculo do ˆangulo da camera . . . 48 –

FIGURA 5.1 Modo Golden Spiral . . . 53 –

FIGURA 5.2 Modo Free Circle . . . 53 –

FIGURA 5.3 Modo Crane . . . 54 –

FIGURA 5.4 Modo Dolly . . . 55 –

FIGURA 5.5 Cama anti-vibra¸c˜ao . . . 56 –

FIGURA 5.6 Vibra¸c˜oes sem a cama anti-vibra¸c˜ao . . . 57 –

FIGURA 5.7 Vibra¸c˜oes com a cama anti-vibra¸c˜ao . . . 57 –

FIGURA 5.8 Tens˜ao da bateria de 2000mAh ao longo do voo . . . 58 –

FIGURA 5.9 Tens˜ao da bateria de 5000mAh ao longo do voo . . . 59 –

FIGURA 5.10 Joypad para PC . . . 60 –

FIGURA 5.11 Captura de tela do Mission Planner executando um dos cen´arios de teste . . . 61 –

FIGURA 5.12 Trajet´orias do Cen´ario 1 . . . 62 –

FIGURA 5.13 Ajustes pelo r´adio controle do Cen´ario 1 . . . 62 –

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–

(8)

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TABELA 3.1 Lista de Componentes . . . 36 –

TABELA 5.1 Valida¸c˜oes do Cen´ario 1 . . . 61 –

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DSLR Digital Single-lens Reflex Cameras - Câmera Reflex Monobjetiva Digital VANT Ve´ıculo Aéreo Não Tripulado

GPS Global Positional System - Sistema de Posicionamento Global POV Point of View - Ponto de Vista

PWM Pulse Width Modulation - Modula¸c˜ao por Largura de Pulso

PPM Position-Pulse Modulation - Modula¸c˜ao por Posicionamento de Pulso

IDE Integrated Development Enviroment - Ambiente de Desenvolvimento Integrado RC Radio Controle

RTOS Real Time Operational System - Sistema Operacional em Tempo Real SITL Software In The Loop - Software em Loop

ROS Robot Operational System - Sistema Operacional de Robˆos IMU Inertial Measurement Unit - Unidade de Medida Inercial

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1 INTRODU ¸C ˜AO . . . 9

1.1 JUSTIFICATIVA . . . 11

1.2 OBJETIVO DO TRABALHO . . . 12

1.3 CONTRIBUI ¸C ˜OES DESTE TRABALHO . . . 12

1.4 ESTRUTURA DO DOCUMENTO . . . 12

2 REVIS ˜AO BIBLIOGR ´AFICA . . . 14

2.1 A C ˆAMERA E A CINEMATOGRAFIA . . . 14

2.1.1 Movimentos de Cˆamera . . . 15

2.1.1.1 Movimentos B´asicos . . . 15

2.1.1.2 Movimentos Avan¸cados . . . 16

2.1.2 Tecnologias para a Movimenta¸c˜ao da Cˆamera . . . 17

2.2 A MOVIMENTA ¸C ˜AO DOS VANTS CINEMATOGR ´AFICOS . . . 19

2.3 ESTADO DA ARTE . . . 24

2.3.1 Explora¸c˜ao e Monitoria . . . 24

2.3.2 Filmagem . . . 25

2.3.3 Servi¸cos Especializados de Filmagem usando VANT . . . 28

3 MATERIAIS E M´ETODOS . . . 30

3.1 METODOLOGIA . . . 30

3.2 RECURSOS DE HARDWARE E SOFTWARE . . . 31

3.2.1 Hardware . . . 31 3.2.2 Software . . . 37 3.3 ARDUPILOT . . . 38 3.3.1 Vis˜ao Geral . . . 38 3.3.2 Ve´ıculos . . . 39 3.3.3 Modos de Voo . . . 40

3.4 MONTANDO O QUADRIC ´OPTERO . . . 41

3.5 AMBIENTE DE SIMULA ¸C ˜AO . . . 42

4 NOVOS MODOS DE VOO PARA ARDUPILOT . . . 44

4.1 FREE CIRCLE . . . 44

4.2 GOLDEN SPIRAL . . . 45

4.3 DOLLY . . . 45

4.4 CRANE . . . 47

4.5 C ˆAMERA AUT ˆONOMA . . . 48

4.6 REQUISITOS . . . 49

4.6.1 Requisitos Funcionais . . . 49

4.6.2 Requisitos N˜ao-Funcionais . . . 51

5 RESULTADOS . . . 52

5.1 TESTES NO SIMULADOR . . . 52

5.1.1 Forma dos movimentos elaborados . . . 52

5.1.1.1 Golden Spiral . . . 53

5.1.1.2 Free Circle . . . 53

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5.3 VALIDA ¸C ˜OES . . . 59

5.3.1 Cen´ario 1: Valida¸c˜ao do modo Free Circle . . . 61

5.3.2 Cen´ario 2: Valida¸c˜ao do modo Golden Spiral . . . 62

5.3.3 Cen´ario 3: Valida¸c˜ao do modo Crane . . . 63

5.3.4 Cen´ario 4: Valida¸c˜ao do modo Dolly . . . 65

5.3.5 Discuss˜ao . . . 66

6 CONCLUS ˜AO . . . 67

REFERˆENCIAS . . . 70

Anexo A -- C ´ODIGO DOS NOVOS MODOS DE VOO . . . 72

A.1 FREE CIRCLE . . . 72

A.2 GOLDEN SPIRAL . . . 76

A.3 CRANE . . . 80

A.4 DOLLY . . . 85

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1 INTRODU ¸C ˜AO

Um dos usos mais comuns para Ve´ıculos Aéreos não Tripulados (VANTs) é a captura de imagens aéreas. Devido a seu baixo custo e grande mobilidade, eles são uma alternativa para o uso de helicópteros, que possuem um custo de uso maior. Entretanto, a cria¸cão de movimentos complexos e precisos com o VANT requer muitas horas de prática, dificultando que um entusiasta consiga executar movimentos complexos. Existem vários projetos de piloto automático para VANTs visando facilitar o seu uso. Contudo, quando falamos de filmagens, a maioria destas solu¸cões emprega o uso de pilotos automáticos junto com equipamentos para um feedback em tempo real do v´ıdeo capturado. Isto faz com que o pre¸co do produto se eleve devido ao número de tecnologias que são integradas pra obter o resultado. A ideia deste projeto é desenvolver uma forma mais simples e barata para obter bons resultados quando o objetivo é o uso de VANTs para filmagens cinematográficas, utilizando os sensores já usualmente presentes para garantir que os movimentos realizados sejam executados de forma suave e fluida, e consequentemente, retornando uma boa filmagem.

Desde seu surgimento, o cinema permitiu que histórias e ideias, realidade e fiçcão fossem transmitidas de forma visual. A câmera tem um papel fundamental nesta tarefa, pois é ela que fornece a perspectiva pela qual conhecemos a história. A câmera é um narrador mudo que faz com que o telespectador seja inserido no universo que está sendo apresentado. Diferente de ler um livro ou ouvir um relato, onde constru´ımos em nossas mentes uma interpreta¸cão visual do ocorrido, a câmera restringe o espa¸co para a imagi-na¸cão e fornece um cenário pronto para sua história, apresentando assim o seu ponto de vista. A forma com que a câmera é usada e movimentada permite que a informa¸cão seja passada na forma de onisciência, para que todos os detalhes sejam conhecidos em uma cena se utilizam vários ângulos e movimentos, ou na forma de observa¸cão, onde os fatos são conhecidos a partir de um ponto de vista fazendo com que alguns acontecimentos não sejam conhecidos por ocorrerem em um ponto cego da câmera (MARTIN, 2003).

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populariza¸cão. As câmeras passaram por vários aprimoramentos, come¸cando com câmeras grandes e pesadas, tendo seu tamanho reduzido e ganhado mais mobilidade com o passar das décadas (SCHRADER, 2015). Um detalhamento sobre esta história é apresentado no cap´ıtulo 2.

O Ve´ıculo Aéreo Não Tripulado (VANT) surgiu para uso militar com o objetivo permitir a execu¸cão de tarefas de alto risco em áreas inimigas sem pôr em risco a vida de soldados (KEANE; CARR, 2013). Um uso muito comum é o de fazer o reconhecimento de uma determinada área utilizando-se uma câmera acoplada ao VANT. Com a utiliza¸cão de processadores com alto poder computacional, assim como câmeras portáteis de alta defini¸cão, a aplica¸cão de um VANT em filmagens se tornou mais fácil e barata. Com isto surgiram aplica¸cões de uso civis. Fotógrafos, cinegrafistas e agricultores têm grande interesse nas possibilidades e aplica¸cões que esta tecnologia proporciona. O VANT é uma forma barata de se obter uma imagem panorâmica de uma grande área como uma fazenda ou planta¸cão, e podem ser aproveitados para realizar a vigilância destes locais.

Um VANT pode possuir ou não um sistema de voo autônomo. Ele pode ser controlado remotamente por um piloto que será responsável por todas as a¸cões realizadas. Quando o VANT possui um sistema de voo autônomo, isto não significa que ele possua a capacidade de realizar voos sem o controle remoto do piloto. Em alguns casos o piloto automático é responsável apenas por manter a altitude, efetuar decolagens ou pousos. Podemos compará-lo ao controle automático de velocidade presente em alguns carros, onde o motorista ainda é necessário para controlar a dire¸cão do ve´ıculo. Em outros casos o piloto automático do VANT funciona como piloto e obedece aos comandos que lhe são fornecidos. Podem ser dadas ordens para decolagem, ir até determinada coordenada ou realizar uma a¸cão programada, por exemplo. Este tipo de piloto automático torna o VANT autônomo. Este trabalho está interessado em uma forma h´ıbrida onde o piloto automático possa auxiliar o piloto, fornecendo parte do controle a ele e executando sozinho a parte mais dif´ıcil.

´

E necessário também diferenciar os tipos de ve´ıculos. Existem ve´ıculos de asa-fixa, e.g. aviões de aeromodelo; monomotores; e.g. helicópteros de aeromodelo (pouco utilizado); e multi-rotores cujo funcionamento se assemelha ao funcionamento de um heli-cóptero, mas ao invés de possuir uma única hélice para fazer a propulsão vertical possuem três ou mais, sendo mais comum encontrar multi-rotores de quatro ou seis rotores. Os multi-rotores são os preferidos no uso de filmagens pois permitem movimentos mais con-trolados e tem a capacidade de parar em um mesmo ponto no ar. O número de rotores pode variar dependendo da quantidade de peso que se deseja carregar. Um multi-rotor

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utilizado para fotografia utilizando uma câmera semi-profissional (DSLR) irá necessitar de 6 a 8 rotores devido ao peso da câmera e da lente. Um número maior de rotores reflete em um consumo maior de bateria mas, em contrapartida, consegue melhorar a rela¸cão entre tempo de voo e o peso do multi-rotor que, por consequência, também irá precisar de baterias maiores para alimentar os motores elétricos. Existem câmeras sendo fabricadas especialmente para este uso, sendo assim mais leves e permitindo um menor consumo de bateria e, consequentemente, mais tempo de voo.

Vários dos movimentos de câmera utilizados no cinema com equipamentos po-dem ser realizados utilizando apenas um multi-rotor com uma câmera acoplada e sendo controlado por um operador. Entretanto alguns dos movimentos mais complexos ainda são um desafio. Não que um multi-rotor não seja capaz de realizá-lo, mas devido à habi-lidade requerida do piloto que o controla. Conhecendo os vários tipos de movimento de câmera utilizados na cinegrafia e os controles utilizados no multi-rotor, observa-se que a maioria dos movimentos básicos de câmera exemplificados pode ser executada movendo-se apenas um eixo do ve´ıculo. Esta facilidade é uma das grandes vantagens da utiliza¸cão de multi-rotores para este fim. Contudo movimentos mais complexos são corriqueiros em uma filmagem mais elaborada, e é nesta hora que a habilidade do piloto é requerida. Na sessão 2.2 esta dificuldade é explicada em mais detalhes.

Sabendo da existência de uma comunidade de desenvolvimento open source para VANTs, este trabalho foca em incrementar um piloto automático já existente com a capacidade de realizar os movimentos de câmera complexos, ao mesmo tempo que permite ao piloto controlar as principais caracter´ısticas deste movimento.

1.1 JUSTIFICATIVA

O desenvolvimento deste projeto visa permitir que mais pessoas tenham contato com VANTs uma vez que simplifica o seu uso e reduz o investimento necessário para obter resultados satisfatórios ao realizar filmagens com grande mobilidade da câmera. Enquanto o avan¸co tecnológico dos VANTs permite que eles realizem cada vez mais movimentos autônomos, pouco se aproveitou desta caracter´ıstica para fornecer ao piloto uma forma mais simples de controle com movimentos assistidos. Em sua maioria, os movimentos são realizados ou pelo piloto ou pelo sistema de voo do VANT.

Este trabalho foi motivado pelo contato cont´ınuo que o aluno teve com a comu-nidade de VANTs e pelo desejo de contribuir para a expans˜ao do uso destes em tarefas do dia a dia que podem ser facilitadas pelo uso deste equipamento.

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1.2 OBJETIVO DO TRABALHO

O objetivo geral deste trabalho é fornecer um VANT capaz de executar semi-automaticamente movimentos complexos, que são deslocamentos que requerem o uso coordenado dois ou mais eixos do VANT, permitindo ao piloto controlar determinados parâmetros como velocidade e angula¸cão em tempo real, visando auxiliar a cria¸cão de v´ıdeos mais próximos do que se produz em cinema sem exigir os equipamentos espec´ıficos comumente usados e, ao mesmo tempo, sem exigir grandes habilidades do piloto.

Para atingir o objetivo principal, as seguintes etapas foram necess´arias:

• Selecionar um firmware open source para ser utilizado como base para o projeto.

• Estudar os recursos computacionais (Hardware e Software) existentes na comunidade open source de VANTs.

• Obter um modo de pilotagem que aproxime o controle do VANT ao de uma cˆamera cinematogr´afica.

• Implementar no firmware escolhido um assistente de voo para auxiliar a realiza¸c˜ao de movimentos espec´ıficos que visam imitar os movimentos de cˆamera usados no cinema.

• Validar o trabalho na forma de estudos de cor representando movimentos de cˆamera usados no cinema.

1.3 CONTRIBUI ¸C ˜OES DESTE TRABALHO

• Fornecer uma ferramenta f´acil de usar para realiza¸c˜ao de filmagens.

• Apresentar uma nova forma de utilizar os recursos presentes em VANTs com os modos de voos assistidos pelo piloto autom´atico.

• Inspirar futuros trabalhos utilizando VANTs e suas in´umeras aplica¸c˜oes.

1.4 ESTRUTURA DO DOCUMENTO

Este documento está organizado da seguinte forma. O Cap´ıtulo 2 apresenta a revisão bibliográfica e o estudo realizado sobre o uso de câmeras no cinema, sua movimen-ta¸cão e como os VANTs são atualmente utilizados para este fim. O cap´ıtulo 3 apresenta

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a metodologia utilizada, os recursos de hardware e software, descreve o processo de mon-tagem do quadricóptero utilizado, assim como o ambiente de simula¸cão. No cap´ıtulo 4 são apresentados os modos de voo desenvolvidos e quais as caracter´ısticas de cada um. O cap´ıtulo 5 apresenta os resultados obtidos e as valida¸cões realizadas para comprovar a eficácia dos novos modos de voo. Por fim o cap´ıtulo 6 apresenta a conclusão e os trabalhos futuros.

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2 REVIS ˜AO BIBLIOGR ´AFICA

Este cap´ıtulo aborda o estudo feito sobre o uso de câmeras no cinema, prin-cipalmente as formas de movimentá-las. Na se¸cão 2.1 são apresentadas as tecnologias envolvidas e os movimentos de câmera, na sessão 2.2 é apresentado como os VANTs são utilizados no cinema atual e na sessão 2.3 é apresentado como os VANTs vêm sendo utilizados para ilustrar sua versatilidade.

2.1 A C ˆAMERA E A CINEMATOGRAFIA

Existem dois tipos de movimento de câmera: motivado e não motivado. Movi-mentos motivados de câmera têm como objetivo seguir a a¸cão que está ocorrendo. Já movimentos de câmera não motivados são usados para passar um sentido emocional ou supernatural. Seguir um personagem enquanto ele caminha é um movimento motivado. Dar um close na mão de um personagem enquanto ele mexe em algo é um movimento n˜ ao-motivado, a câmera faz o movimento que o telespectador faria caso estivesse inserido na cena, como se fosse uma testemunha real e parte do que está acontecendo (SCHRADER, 2015).

Câmeras de mão (handheld camera) demoraram a ser utilizadas na história do cinema. As primeiras câmeras eram muito pesadas e necessitavam ter um suporte para serem manuseadas. Mesmo o uso de câmeras motorizadas, que retiravam grande parte do trabalho de movimenta¸cão, só se tornou popular no fim dos anos 50. Para movimentar a câmera, ela era montada em uma plataforma com quatro rodas e por muitas vezes deslocada sob trilhos. Somente nos anos 70 come¸caram a surgir solu¸cões que permitiram dar à câmera uma maior mobilidade e liberdade de movimento com o surgimento de tecnologias como a Steadicam e a Luma (SCHRADER, 2015).

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2.1.1 MOVIMENTOS DE C ˆAMERA

Podem-se dividir os movimentos de câmera em duas categorias: básicos e avan-¸cados. Os movimentos básicos em sua maioria requerem que a câmera se mova somente em um eixo, deixando a câmera estática nos outros eixos. Por este motivo os movimentos básicos são os mais simples de serem executados. Já os movimentos avan¸cados incluem uma combina¸cão de movimento em dois ou mais eixos ao mesmo tempo, tornando o seu controle mais complexo.

2.1.1.1 Movimentos B´asicos

Para melhor compreensão, alguns movimentos básicos serão descritos abaixo. Existem inúmeras varia¸cões que podem ser feitas com estes movimentos mas é poss´ıvel listar os mais utilizados para ilustrá-los (VINEYARD, 2008).

• Tilt (ver figura 2.1): Consiste em mover a câmera para cima ou para baixo mudando o seu ângulo de inclina¸cão.

• Pan (ver figura 2.2): Consiste em girar a cˆamera em volta do seu eixo vertical mudando a dire¸c˜ao para a qual ela aponta.

• Pedestal (ver figura 2.4): Consiste em mover a cˆamera para cima ou para baixo sem mudar seu eixo vertical, como se a cˆamera estivesse em um elevador.

• Dolly (ver figura 2.5): Consiste em mover a câmera em dire¸cão a um objeto ou na dire¸cão contrária. Este movimento muda a distância da câmera para o objeto em foco sem mudar a distância focal da lente. Ao contrário do zoom ele não produz distor¸cões ou mudan¸cas na profundidade de campo.

• Truck (ver figura 2.3): Truck é um movimento parecido com Dolly mas ao invés de movimentar a câmera na dire¸cão do objeto, ela é movimentada para a esquerda ou direita.

• Zoom (ver figura 2.6): Consiste em mudar a distancia focal da lente da cˆamera para aproximar ou distanciar o objeto em foco.

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Figura 2.1: Tilt Autoria Própria Figura 2.2: Pan Autoria Própria Figura 2.3: Truck Autoria Própria Figura 2.4: Pedestal Autoria Própria Figura 2.5: Dolly Autoria Própria Figura 2.6: zoom Autoria Própria

2.1.1.2 Movimentos Avan¸cados

Movimentos avan¸cados muitas vezes são formados combinando-se dois movimen-tos básicos. Outros tipos de movimenta¸cão requerem um equipamento espec´ıfico. Alguns exemplos são:

• Câmera flutuante: Também conhecido como Stabilizing Shot, este movimento de câmera faz uso de um mecanismo de estabiliza¸cão para que a camera se mova livremente sem produzir as trepida¸cões geradas pela movimenta¸cão do operador (ver figura 2.7).

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• Crane: Também conhecido como Boom Shot, este movimento utiliza um guindaste para suspender a câmera, e as vezes o operador, para filmagens que mudam de posi¸cões baixas para altas ou vice-versa, ou movimentos flu´ıdos cobrindo uma área fixa cujo bra¸co do guindaste alcance (ver figura 2.8).

2.1.2 TECNOLOGIAS PARA A MOVIMENTA ¸C ˜AO DA C ˆAMERA

Nos in´ıcio dos anos 70, Garret Brown criou a Steadicam, um sistema onde a câmera é fixada ao corpo do operador por meio de um colete e um bra¸co. Este bra¸co tem o objetivo de isolar os movimentos feitos pelo operador enquanto ele anda, dando a impressão de que a câmera flutua. Como no come¸co somente Brown sabia usar sua inven¸cão, para se fazer um filme usando a Steadicam era necessário esperar que Brown estivesse dispon´ıvel para fazer as filmagens. O filme que mais marcou pelo uso da Ste-adicam e mostrou todo o seu potencial foi “O Iluminado”, filmado em 1978 por Stanley Kubrick. Esta tecnologia permitiu que tomadas longas e complexas fossem feitas sem cortes, seguindo a movimenta¸cão dos personagens.(SCHRADER, 2015)

Figura 2.7: Steadicam

Fonte: en.wikipedia.org

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para realizar o movimento de crane (guindaste). Esta tecnologia é uma das ferramentas mais utilizadas quando se deseja uma boa movimenta¸cão de câmera (BROWN, 1972). Criada na Fran¸ca, ela consiste em um guindaste com uma câmera na extremidade contro-lada remotamente. Ela tem a capacidade de girar e rotacionar em três eixos. A cabe¸ca da câmera pode apontar para qualquer dire¸cão e, através do uso do guindaste, ela pode se locomover livremente. Anteriormente, ao usar somente o guindaste, um operador de câmera ficava na sua ponta, o que gerava alguns problemas pois o peso a ser levantado era maior e, dependendo do ângulo, o operador poderia sofrer algum acidente.

Figura 2.8: Guindaste (Crane)

Fonte: en.wikipedia.org

A CableCam foi uma tecnologia que se popularizou para a transmissão de jogos em estádios na qual a câmera é pendurada em um cabo onde ela possa se locomover livremente, permitindo movimentar a câmera ao longo de sua extensão. Ao utilizar-se dois cabos perpendiculares pode-se movimentar a câmera como se esta estivesse em um plano cartesiano. Esta é uma solu¸cão ideal para quando a câmera deve percorrer uma ´

area fixa e ao mesmo tempo ser capaz que obter v´arios ˆangulos diferentes ou se locomover rapidamente para seguir um objeto em movimento.

Figura 2.9: Cable Cam

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2.2 A MOVIMENTA ¸C ˜AO DOS VANTS CINEMATOGR ´AFICOS

Existem algumas solu¸cões para o uso de VANTs em filmagens que visam enfrentar algumas dificuldades encontradas ao tentar efetuar certos tipos de movimento. Pela na-tureza dos rotores, ao efetuar deslocamento lateral, para frente ou para trás, o VANT irá sofrer uma inquina¸cão. Uma câmera acoplada a ele irá sofrer a mesma inclina¸cão durante o movimento. Isto não é necessariamente um problema, mas sim uma caracter´ıstica de VANTs multi-rotores que deve ser considerada na execu¸cão de filmagens. Para contornar está caracter´ıstica é utilizado o Gimbal, um instrumento acoplado ao VANT que tem a mesma fun¸cão que a Steadicam: isola a câmera dos movimentos de inclina¸cão sofridos pelo VANT. O gimbal possui outra vantagem, que é reduzir as trepida¸cões provocadas pelos rotores ou pelo vento. Em algumas situa¸cões ele é controlado remotamente para permitir que a câmera seja movida e apontada para uma determinada dire¸cão independente da dire¸cão na qual o VANT se desloca.

Um movimento muito utilizado pelo guindaste é o de circular um objeto enquanto o mantém em foco. Este é um movimento que um VANT pode executar facilmente devido `

as suas caracter´ısticas de voo porém requer uma grande concentra¸cão e habilidade do pi-loto. Quando deseja-se um bom resultado final, qualquer trepida¸cão ou movimento brusco tem um impacto significativo no v´ıdeo gravado. Neste caso, o piloto deverá rotacionar o VANT sob seu eixo vertical (o movimento de Yaw na figura 2.10) de forma constante ao mesmo tempo em que o desloca para a lateral. Uma rota¸cão a mais ou a menos irá alterar o raio da circunferência, retirando o objeto de foco. Qualquer rota¸cão que não seja constante irá exigir uma corre¸cão, acarretando em uma trepida¸cão ou, na pior das hipóteses, um movimento brusco, ambos indesejados em uma filmagem.

Um VANT possui 3 eixos de rota¸cão para efetuar os seus movimentos. O Yaw é responsável por rotacionar o VANT em torno de seu eixo vertical; o Pitch inclina o VANT para frente ou para trás; e o Roll é responsável por mover o VANT para os lados. Esses três movimentos são ilustrados na figura 2.10. O interessante é que estes controles não mudam caso o VANT seja de asa-fixa (i.e. avião), porém, a diferen¸ca será que junto a todos estes movimentos um VANT de asa-fixa está sempre se locomovendo para frente. Além disso, o movimento de Yaw é mais restrito em um VANT asa-fixa em compara¸cão com o multi-rotor.

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Figura 2.10: Eixos do VANT

Fonte: www.qualtre.com

Assim, para que se possa controlar um VANT multi-rotor, são necessários quatro movimentos diferentes e, portanto, quatro comandos podem ser enviados para o mesmo. Existem 4 diferentes modos de controle que devem ser observados. O rádio controle possui dois joysticks com dois eixos de movimento em cada para representar pitch, roll, yaw e throttle. Cada um dos quatro modos de controle associa esses movimentos aos joysticks de forma diferente. O mais comum no uso de ve´ıculos rotores é o modo 2. Neste modo o joystick da esquerda controla a altura (throttle) no eixo vertical e a rota¸cão (yaw ) no eixo horizontal do controle. Já o joystick direito controla o deslocamento frente-trás (pitch) no eixo vertical e o deslocamento lateral (roll ) no eixo horizontal do controle. Podemos entender melhor o controle observando a figura 2.11. O modo 1 inverte o throttle e o pitch de joystick. Os modos 3 e 4 dificilmente são usados e consistem em, baseando-se no modo 1 e 2, inverter o roll e o pitch de joystick.

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Figura 2.11: Controle Modo 2

Fonte: https://oscarliang.com/

Os movimentos básicos de câmera apresentados anteriormente podem ser exe-cutados rotacionando somente um eixo. O movimento de Pan pode ser feito utilizando somente o roll. O movimento de Pedestal utiliza somente o throttle. O movimento de Dolly pode ser feito utilizando somente o pitch. Ainda existem outras possibilidades que podem ser executadas apenas utilizando um ângulo de câmera diferente e movendo somente um eixo do VANT.

Movimentos avan¸cados exigem que se trabalhe com dois ou mais eixos ao mesmo tempo. Isto torna o controle do VANT mais dif´ıcil uma vez que o piloto deve balancear a intensidade de cada eixo utilizado simultaneamente para que o movimento seja executado corretamente. Para executar uma circunferˆencia, como mostrado na figura 2.12 onde o VANT aponta para o centro da circunferˆencia enquanto faz um deslocamento lateral, o eixo de yaw deve ser utilizado ao mesmo tempo que o pitch ou o roll.

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Figura 2.12: Circunferˆencia

Autoria Pr´opria

Variando a intensidade do yaw pode-se obter um movimento em espiral como mostrado na figura 2.13. Entretanto este movimento se torna quase imposs´ıvel de ser executado em torno de um ponto central utilizando-se apenas o ângulo de visão do piloto e irá requirir dele a exata precisão no controle do yaw ao longo do movimento. É importante destacar que em ambos movimentos a habilidade do piloto irá determinar a qualidade do movimento executado e, consequentemente, do v´ıdeo capturado. Estes movimentos são feitos na maioria da vezes utilizando-se uma steadicam ou guindaste para garantir movimentos fluidos e precisos.

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Figura 2.13: Espiral

Autoria Pr´opria

Outro movimento utilizado é o Tracking, onde a câmera segue um objeto ou uma pessoa enquanto ela se desloca. No filme O Iluminado temos um ótimo exemplo na cena em que a câmera segue uma crian¸ca enquanto ela percorre os corredores de um hotel com seu triciclo. Nesta cena, a câmera efetua curvas idênticas às que o menino faz em seu triciclo toda vez que vira em um corredor. Um VANT multi-rotor pode reproduzir este movimento de duas maneiras. Ele pode ser feito como mostrado na figura 2.14, onde o VANT fica estático enquanto gira até possuir o ângulo correto para continuar se locomovendo, ou como mostrado na figura 2.15 onde é necessário o controle de dois eixos para que o movimento seja cont´ınuo assim como feito na cena do filme. Além disso o piloto deve compensar o movimento inercial do VANT com um movimento oposto como uma forma de se frenar o ve´ıculo antes que ele mude de dire¸cão.

Figura 2.14: Curva Est´atica

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Figura 2.15: Curva Cont´ınua

Autoria Pr´opria

2.3 ESTADO DA ARTE

Exitem vários projetos utilizando diversas controladoras de VANT para efetuar tarefas autônomas e que podem ser encontrados facilmente na Internet. Estes projetos podem variar de pequena a grande complexidade. Entretanto quando tratamos de piloto automático o assunto tende a ser mais complexo.

2.3.1 EXPLORA ¸C ˜AO E MONITORIA

O artigo de Semsch et al. (2009) apresenta um algoritmo desenvolvido para so-lucionar o problema de oclusão de objetos no uso de VANTs autônomos em ambientes urbanos repleto de obstáculos. A solu¸cão inclui o cálculo do menor caminho a ser per-corrido ao mesmo tempo que considera evitar pontos cegos durante o plano de voo que é gerado pelo algoritmo. Além disto é considerada a manobrabilidade do VANT durante o

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voo e como isto pode afetar a qualidade do v´ıdeo capturado, fazendo com que o VANT execute sempre movimentos cont´ınuos e suaves.

Outro artigo de Xu et al. (2011) demonstra um algoritmo desenvolvido para cobrir um determinado terreno da forma mais eficiente poss´ıvel utilizando-se um VANT. O objetivo deste algoritmo é percorrer toda a área delimitada previamente evitando obs-táculos, não sobrepor caminhos e terminar no mesmo ponto de partida. Projetado para cobrir longas distâncias, este estudo foi feito com aeronaves com asas fixas.

O trabalho de Andersen (2014) teve como objetivo projetar um multicóptero de baixo custo para ser usado em missões de busca e resgate. Para tal um hexacóptero portando uma câmera e executando o código de voo autônomo, foi usado para executar simula¸cões usando MATLAB. O destaque deste trabalho está na visão computacional empregada para permitir que o VANT reconhe¸ca pessoas na missões em que é enviado e permita o rápido envio de aux´ılio.

O artigo de Scherer et al. (2012) utiliza uma combina¸cão dos sensores do VANT para permitir que com o aux´ılio do GPS e uma camera ele seja capaz de percorrer o leito de um rio e efetuar o seu mapeamento. Neste caso a computa¸cão visual também é empregada para que o VANT diferencie o rio da vegeta¸cão nas suas margens. O resultado final inclui a varia¸cão da largura do rio ao longo do percurso.

O Arducopter Parenting no artigo de Wallich (2012) foi desenvolvido por um pai que estava cansado de acompanhar seu filho até o ponto do ônibus escolar e resolveu desenvolver um VANT com live-stream de v´ıdeo para substitu´ı-lo. Utilizando uma con-troladora baseada em um Arduino ele construiu um quadricóptero com feedback de v´ıdeo em tempo real para monitorar seu filho até chegar ao ponto do ônibus em seguran¸ca.

Todos estes trabalhos utilizam VANTS com pilotos automáticos para realizarem suas a¸cões. Eles foram projetados visando utilizar a câmera do VANT para capturar imagens que serão processadas para se transformarem em informa¸cão. Apesar de existir uma preocupa¸cão com o movimento realizado, o objetivo não é que o resultado obtido seja uma bela cinematografia.

2.3.2 FILMAGEM

A 3DR é atualmente uma das maiores empresas envolvidas no uso de VANTs. Eles oferecem solu¸cões para várias finalidades incluindo o uso de VANTs para filmagens. Seu último lan¸camento é um VANT chamado SOLO, capaz de controlar

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automatica-mente tanto o voo quanto o posicionamento da câmera. Quem opera o VANT pode optar por deixar que o VANT fa¸ca tudo sozinho, programando suas a¸cões previamente em um software espec´ıfico, automatizar o controle da câmera enquanto controla o VANT ou au-tomatizar o VANT e controlar a câmera em tempo de voo, ou ainda utilizar o VANT manualmente controlando o seu movimento e a câmera. O SOLO vem equipado com um Gimbal de 3-eixos, um processador de 1GHz, uma câmera GoPro e uma controladora de voo PIXHAWK 2. O SOLO também possui GPS e conexão Wi-Fi e um controle remoto acoplado a uma tela responsável pelo feedback de v´ıdeo (figura 2.16) (3DR, 2016).

Figura 2.16: SOLO

Fonte: http://3dr.com/solo-drone

Outra empresa que se destaca nesta área é a DJI. Sua série de VANTs Phantom é uma das mais conhecidas no mercado, e hoje ela se encontra na sua quarta versão. O Phantom 4 é capaz de identificar e desviar de objetos a até 15 metros de distância automaticamente. Ele utiliza computa¸cão visual para seguir objetos e mantê-los em foco durante o voo. Assim como o SOLO ele permite programar um plano de voo previamente para ser executado autonomamente e ser controlado por um aplicativo em seu smartphone, e vem equipado com GPS, gimbal, uma câmera e controladora de voo própria, Wi-Fi e um rádio controle com feedback de v´ıdeo (figura 2.17) (DJI, 2015).

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Figura 2.17: Phantom 4

Fonte: www.dji.com/product/phantom-4

A terceira empresa que vale ser mencionada é a Parrot. O AR.Drone foi um dos primeiros a oferecer a op¸cão de controle via aplicativo do smartphone e aproximar o interesse de usuários mais leigos ao uso dos camera-drones. Hoje a empresa possui uma linha de vários modelos com objetivos espec´ıficos. Com o objetivo de fazer filmagens elaboradas, quem se destaca entre o catálogo de produtos da empresa é o Bebop 2. O Bebop 2, assim como toda a linha da Parrot, é focado no uso de um aplicativo no celular ou tablet que fornece todas as op¸cões de controle, automa¸cão e feedback de v´ıdeo em tempo real. Por este motivo não existe um suporte a rádio controles e toda a comunica¸cão do VANT é feita por Wi-Fi (figura 2.18) (PARROT, 2015).

Figura 2.18: Parrot Bebop 2

Fonte: ww.parrot.com/usa/products/bebop2

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equipa-mento para fornecer o feedback do v´ıdeo em tempo real. Apesar de possu´ırem um piloto automático e alguns recursos para facilitar filmagens, seu controle depende desta intera¸cão com o feedback em tempo real e do software embarcado no controle, tablet ou smartphone. Caso o piloto deseje realizar algum dos movimentos mencionados na sessão 2.2 ele não terá aux´ılio do piloto automático.

2.3.3 SERVI ¸COS ESPECIALIZADOS DE FILMAGEM USANDO VANT

Algumas empresas estão focando na presta¸cão de servi¸cos de filmagens utilizando VANTs. Uma das pioneiras foi a Dron Crew (CREW, 2015). Apesar de não estar mais operando, a empresa americana do estado da Califórnia já foi contratada para realizar várias filmagens em filmes de Hollywood e comerciais. Ela oferecia todo o suporte neces-sário para realizar filmagens profissionais de alta qualidade, incluindo todo o hardware necessário assim como um piloto treinado para efetuar o controle do VANT e da câmera. Entre seus clientes estavam empresas como BBC, National Geographic, 20th Century Fox, Toyota, Audi, RedBull, entre outras.

Outras empresas na mesma área podem ser encontradas em diversos pa´ıses. No Brasil podemos citar a MaxDrone, DroneImages, Curitiba Drones, entre muitas outras. O valor deste servi¸co pode variar de R$800,00 por uma filmagem simples de pouco minutos e sem edi¸cão a valores na casa dos 5 d´ıgitos contando com pós-produ¸cão e várias horas de filmagem. O alto custo dos VANTs usados é um dos motivos do alto valor na presta¸cão do servi¸co.

Em 2012 o diretor Sam Mendes contratou uma empresa para filmar a cena que abre o filme “007 - Opera¸cão Skyfall ” em uma persegui¸cão de motocicletas entre telhados do Grand Bazzar em Istanbul. Martin Scorsese também contratou uma empresa chamada Freefly Cinema para as tomadas aéreas da cena da festa na piscina de “O Lobo de Wall Street” em 2013. O filme “Mercenários 3”, de 2014 possui 30 cenas gravadas com VANTs filmadas pela empresa ZM Interactive. O diretor Neill Blomkamp fez uso de VANTs em seu filme “Chappie” de 2015. O filme que conta a história de um robô que adquire auto-consciência utilizou VANTs para simular uma cena em primeira pessoa ou POV(Point of View). Um artigo no blog do site Skytango (2015) conta como estes e mais 3 filmes utilizaram VANTs em sua filmagens.

Este forma de uso dos VANTs foi uma das inspira¸c˜oes para o desenvolvimento deste trabalho. Enquanto estas empresas focam no uso de VANTs para filmagens profis-sionais este projeto foca no uso semi-profissional e amador. Para tal se torna necess´ario

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simplificar o seu uso e reduzir o seu custo. É nestes dois itens que o piloto semi-automático contribui, fazendo com que seja exigido menos do piloto e reduzindo o número de equipa-mentos extras necessários para realizar movimentos cinematográficos.

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3 MATERIAIS E M´ETODOS

3.1 METODOLOGIA

A primeira e principal etapa para o desenvolvimento do projeto foi o estudo rea-lizado para aprofundar o conhecimento sobre o firmware utirea-lizado. Este estudo permitiu conhecer melhor a capacidade do firmware e as ferramentas e funcionalidades j´a existentes. As etapas realizadas foram as seguintes:

• Estudo do firmware open source;

• Estudo das ferramentas dispon´ıveis;

• Desenvolvimento do assistente de voo;

• Teste do assistente de voo.

O aprofundamento sobre o firmware e outras ferramentas relacionadas ocorreu ao longo de todo o desenvolvimento do projeto. Um processo iterativo entre estudo, desenvolvimento e teste foi realizado para permitir um avan¸co gradual nestas etapas. Cada vez que este processo era repetido, uma nova funcionalidade estudada era aplicada de forma prática e testada. Assim conhecendo o funcionamento e aplicabilidade do código do Ardupilot e principalmente de suas bibliotecas. Como o código vem sendo atualizado por uma comunidade muito grande, a documenta¸cão para o mesmo é gerada pela própria comunidade e às vezes possui uma explica¸cão superficial, sendo necessário um tempo maior para conhecer o código.

Os testes iniciais foram feitos em simulador, e não é necessário o uso de nenhum hardware para testes envolvendo somente o código Ardupilot. Os testes utilizando o quadricóptero foram feitos somente após o código ter sido testado repetidas vezes no simulador para identificar e eliminar poss´ıveis erros que comprometessem a seguran¸ca do equipamento.

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3.2 RECURSOS DE HARDWARE E SOFTWARE

A seguir ser˜ao apresentados os recursos de hardware e software utilizados para o desenvolvimento do projeto.

3.2.1 HARDWARE

Nesta sessão são apresentados os componentes utilizados para montar o quadri-cóptero utilizado para efetuar os testes práticos. Também é explicado o motivo da escolha de cada componente. Na tabela 3.1 encontra-se a lista dos componentes.

A escolha do frame (corpo de sustenta¸cão do VANT) levou dois fatores em con-sidera¸cão, seu peso e a finalidade para qual o quadricóptero seria usado. Optou-se por um frame de fibra de carbono pelo seu baixo peso e alta resistência, e porque o modelo escolhido já possui um suporte para gimbal e trens de pouso altos para evitar que o gimbal encoste no chão. Os motores usados possuem uma rota¸cão mais baixa porém oferecem um torque maior, o que permite levantar mais peso. Os fóruns especializados recomendam que os motores para quadricópteros com gimbal possuam um KV menor que 1000. O KV indica o número de rota¸cões por Volt que o motor produz. O ESC (Eletronic Speed Controller) deve ser escolhido de acordo com o motor utilizado pois deve suportar a cor-rente máxima exigida pelo motor. O ESC utilizado possui um circuito opto-acoplado para receber o sinal PWM gerado pela controladora. Nem todos os ESCs são opto-acoplados. Este recurso traz uma seguran¸ca a mais caso ocorra um defeito em um ESC uma vez que isola os circuitos de alimenta¸cão dos motores da controladora, pois enquanto os motores trabalham com tensões de até 16V a controladora trabalha com 5V. As hélices devem respeitar o tamanho máximo especificado pelo fabricante dos motores. Cada fabricante divulga o empuxo que cada tamanho de hélice fornece dado o tipo de bateria utilizado. A tabela da figura 3.1 foi utilizada como referência para calcular o empuxo gerado. Fo-ram usadas hélices de fibra de carbono pois, segundo comentários de pilotos nos fóruns especializados, por serem mais r´ıgidas, transmitem menos vibra¸cão para a câmera em compara¸cão às hélices de plástico.

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Figura 3.1: Tabela do fornecedor do Motor Brushless

Fonte: http://rctimer.com/product-1188.html

Uma vez escolhido o Ardupilot para ser o piloto automático do quadricóptero, foram procuradas as controladoras compat´ıveis com este código. Levou-se em considera-¸cão o pre¸co e a facilidade de adquirir o hardware necessário que deveria ser importado, uma vez que não existem controladoras produzidas em território nacional. O PXFmini é um shield open source para Raspberry Pi contendo todos os sensores essenciais para o desenvolvimento de um drone (figura 3.2). O shield é uma placa de hardware feita para adicionar funcionalidades ao ser acoplada no hardware existente. Neste shield estão pre-sentes um acelerômetro e um giroscópio de 3 eixos, uma bússola digital, um barômetro, um sensor de temperatura e um conversor ADC para medi¸cão do n´ıvel da bateria. Ele ainda fornece duas portas I2C e uma UART onde pode ser conectado um GPS ou outro dispositivo de interesse. Desenvolvido pela Erle Robotics, possui suporte ao Ardupilot e ao PX4 (ROBOTICS, 2017). A Erle Robotics também fornece uma imagem do Sis-tema Operacional Debian adaptado para usar o Raspberry Pi com o shield PXFMini. A instala¸cão é facilitada para que a maior preocupa¸cão seja o desenvolvimento do código espec´ıfico do controle do ve´ıculo.

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Figura 3.2: PXFmini

Fonte: http://erlerobotics.com/blog/product/pxfmini/

Junto com a importa¸cão do PXFmini, importou-se o GPS e o Power Module dispon´ıveis no site da Erle Robotics. O GPS possui uma precisão de até 2M e o Power Module permite informar ao Ardupilot a tensão da bateria durante o voo.

Foi necessário que o Rádio Controle utilizado possu´ısse ao menos 6 canais. Os quatro primeiros canais são utilizados para throttle, pitch, roll e yaw, sobrando dois canais que foram utilizados para alternar entre os modos de voo e ativar ou desativar a câmera autônoma. Atendendo estas caracter´ısticas o modelo do rádio se torna mais uma escolha pessoal de cada piloto.

A maioria dos receivers de rádio controle gera um sinal de Pulse Width Modu-lation (PWM) para cada canal. Isso significa que é necessário um cabo por canal entre receiver e a placa controladora. As controladoras do projeto Ardupilot utilizam um único sinal para comunicar os comandos recebidos do Rádio Controle (RC). O PXFmini aceita somente o signal PPM-SUM que consiste em um sinal contendo o Position-Pulse Modu-lation (PPM) de todos os canais recebidos. O PPM é uma técnica de modula¸cão que utiliza o tempo de offset até o acontecimento do pulso para determinar o valor que ele representa. Assim como no PWM, o per´ıodo do sinal é de 20 milissegundos. O valor do sinal é atribu´ıdo dependendo de quantos milissegundos se passam até que o pulso seja lido. Na figura figura 3.3 podemos observar como o mesmo valor de um sinal PWM é representado em PPM. Enquanto o PWM leva em conta o tempo que o sinal encontra-se em n´ıvel alto, o PPM considera um único pulso de 1ms separando o sinal em n´ıvel alto

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do n´ıvel baixo. (FUJIWARA, 2013)

Figura 3.3: PWM vs PPM

Fonte: Autoria Pr´opria

O PPM-SUM envia uma sequência de pulsos onde o intervalo de tempo entre eles é o valor do PWM em n´ıvel alto do canal como mostra a figura 3.4. Assim o PPM-SUM desconsidera o tempo em que o sinal permaneceu em n´ıvel baixo. Como os sinais PWM utilizados variam de 1 a 2 ms em n´ıvel alto, o PPM-SUM consegue enviar o sinal de até 8 canais PWM em um intervalo de 20 ms sem perdas, considerando o maior tempo em todos os canais.

O encoder utilizado pode ser encontrado no Ardupilot.org que possui um projeto chamado ArduPPM baseado no processador ATMEGA328 para este fim1. Utilizou-se um Arduino Uno e o c´odigo do ArduPPM disponibilzado no github2 para converter os 6 canais do r´adio controle em um sinal PPM-SUM.

1_{Encoder PPM: http://ardupilot.org/copter/docs/common-ppm-encoder.html}

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Figura 3.4: PPM SUM

O gimbal necessita de somente dois eixos de movimenta¸cão, um para manter a câmera estável no eixo horizontal enquanto o quadricóptero se desloca, e outro para controlar o ângulo de inclina¸cão da câmera para manter o objeto no centro da imagem capturada conforme a altura de voo varia. Foi escolhido um gimbal que fosse leve e cujo tamanho fosse compat´ıvel com a câmera utilizada. Existem inúmeras op¸cões de câmera destinadas ao uso em VANTs. Esta se torna outra escolha que varia conforme a preferência pessoal. A única restri¸cão é o peso, pois uma câmera muito pesada irá exigir um motor maior ou até mesmo mais motores.

A cama anti-vibra¸cão é essencial para isolar a vibra¸cão gerada pela rota¸cão dos motores dos sensores acelerômetros. Inicialmente ela não havia sido utilizada e nos resul-tados pudemos observar a diferen¸ca obtida com sua adi¸cão.

Foram utilizadas dois tipos de bateria, uma de 2200mAh e outra de 5200mAh. Recomenda-se utilizar a ´ultima pois sua capacidade influencia no tempo de voo final e o peso adicional da cˆamera faz com que mais corrente seja utilizada pelos motores, reduzindo o tempo de voo total poss´ıvel.

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Componente Quantidade Frame S500 em vibra de carbono com suporte para gimbal 1

Motor Brushless RCTimer 2830 - 850KV 4

ESC RCTimer de 30A 4

H´elice RCTimer 10x4,6 de fibra de carbono 4

Raspberry Pi B+ 1

PXFmini 1

GPS uBlox Neo 8M 1

Power Module 1

R´adio Controle Spektrum DX6i de 6 canais 1

Encoder PPM 1

Gimbal BGC 2-Eixos 1

Cˆamera Xiaomi Yi 1

Cama Anti-Vibra¸c˜ao 1

Base em Acr´ılico feita sob-medida 1

Bateria LiPo 5000mAh 1

Bateria LiPo 2000mAh 1

Tabela 3.1: Lista de Componentes

A figura 3.5 mostra o resultado ap´os todos os componentes serem instalados no frame.

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Figura 3.5: Foto do quadric´optero montado

3.2.2 SOFTWARE

Procurou-se utilizar apenas softwares de c´odigo livre ou de uso gratuito visando tornar o projeto o mais acess´ıvel poss´ıvel.

• Ardupilot: Piloto automático pra VANTs que inclui uma série de ferramentas para desenvolvimento e teste do seu código inclusive um simulador chamado de Software In The Loop (SITL).

• Mision Planner, APM Planner2: Ground Control Station (GCS) que funciona como uma central de controle em terra para facilitar a configura¸c˜ao do VANT, foram utilizado para calibrar e obter os logs de voo do Ardupilot;

• Putty: Software utilizado para acesso remoto ao Raspberry Pi usando SSH, é através dele que o arquivo compilado do Ardupilot é enviado ao Raspberry Pi e a configu-ra¸cão do sistema operacional é feita;

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• Octave: Software para solu¸cão de problemas numéricos utilizado pra efetuar as valida¸cões e análises do log de voo;

• GIMP, Inkscape: Softwares de edi¸c˜ao de imagem utilizados para fazer as imagens ilustrativas;

• Visual Studio Comunity: Ambiente de Desenvolvimento Integrado (IDE) utilizada para estudo do c´odigo do Mission Planner;

• Eclipse Neon: IDE utilizada para estudo e desenvolvimento do c´odigo Ardupilot;

• Git: Software utilizado pra o controle de vers˜ao do c´odigo;

• Linux Ubuntu: Utilizado para compilar o c´odigo do Ardupilot;

3.3 ARDUPILOT

O projeto Ardupilot come¸cou em 2007 na comunidade DIYDrones.com que é uma comunidade online dedicada à cultura do “fa¸ca você mesmo” focada na constru¸cão de drones. Com o tempo, vários projetos foram integrados até que em 2010 a primeira placa dedicada ao Ardupilot foi lan¸cada pela 3D Robotics. Em 2013, o código que se encontrava no Google Code passa para o Github. Em 2014 o primeiro voo feito em uma controladora com um SO em Linux é feito, e no final do mesmo ano é criada a funda¸cão DroneCode com o objetivo de incentivar o compartilhamento de código aberto entre desenvolvedores de drones. Em 2015 a Erle Robotics lan¸ca kits de desenvolvimento para Linux. Em mar¸co de 2016 é criada a organiza¸cão ardupilot.org e o novo website. Desde mar¸co de 2016 o Ardupilot recebe mais de uma atualiza¸cão por semana adicionando novas funcionalidades e expandindo a sua compatibilidade com sensores e atuadores3.

3.3.1 VIS ˜AO GERAL

O Ardupilot pode ser acessado pelo seu repositório no github4. Nele são disponi-bilizadas todas as atualiza¸cões, tanto no seu funcionamento básico como nas bibliotecas e novos drivers para novas controladoras. Por ser um projeto utilizando várias plataformas o seu código possui n´ıveis de abstra¸cão para que altera¸cões em seu núcleo sejam imedi-atamente compat´ıveis com os vários tipos de hardware suportados. A figura 3.6 mostra como sua arquitetura está organizada. Ele é feito sobre a arquitetura baseada em Linux e

3_{Fonte: http://ardupilot.org/ardupilot/docs/common-history-of-ardupilot.html} 4_Reposit´_{orio Ardupilot: https://github.com/ArduPilot/ardupilot}

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pode ser executado em teoricamente qualquer placa controladora que rode alguma versão ou varia¸cão deste sistema operacional, dado que os drivers necessários estejam dispon´ıveis para ela e possam ser incorporados na biblioteca do Ardupilot.

Figura 3.6: Arquitetura Ardupilot

Fonte: http://ardupilot.org

3.3.2 VE´ICULOS

Cada tipo de ve´ıculo a ser controlado pelo Ardupilot requer um código espec´ıfico. O comportamento de um ve´ıculo terrestre não é o mesmo que um ve´ıculo aéreo ou aquático. Por este motivo o Ardupilot é subdividido em quatro categorias principais de ve´ıculos. São elas Copter (quadrotores), Plane (aeromodelos de asa fixa), Rover (ve´ıculos terrestres) e Sub (ve´ıculos subaquáticos). Apesar da subdivisão as quatro categorias usam a mesma biblioteca para efetuar a leitura de sensores e o controle de atuadores. Assim, ao compilar o código para um ve´ıculo em espec´ıfico, é necessário compilar o projeto Ardupilot como um todo. O ve´ıculo para o qual se deseja o código é especificado na hora da compila¸cão. Quando se refere ao ArduCopter, está se referindo especificamente ao código responsável pelo comportamento de ve´ıculos quadrotores. Cada tipo possui uma pasta com seu nome

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com seus códigos individuais. O tipo de ve´ıculo e a controladora são especificados na linha de comando na hora de compilar o código.

3.3.3 MODOS DE VOO

O comportamento do ve´ıculo durante o voo depende do modo de voo ativo. O ArduCopter possui alguns modos básicos de voo e outros com comportamentos bem espe-c´ıficos. Esses modos são divididos em duas categorias: a primeira fornece modos de voos que não requerem o GPS e a segunda os modos de voo que não funcionam sem ele. A documenta¸cão do ardupilot recomenda 5 modos de voo que fornecem as funcionalidades básicas:

• Stabilize: O piloto tem controle total do ve´ıculo enquanto o ArduCopter fica respon-sável somente por estabilizá-lo e garantir que seu ângulo de inclina¸cão não ultrapasse um valor máximo definido nos parâmetros de configura¸cão;

• Alt Hold : Mesmo que o modo Stabilize com o adicional que o ArduCopter mant´em o ve´ıculo na mesma altura, evitando que o mesmo perca altitude durante o voo;

• Loiter : Neste modo o ArduCopter tenta manter a posi¸cão atual do ve´ıculo assim como a dire¸cão para a qual ele se encontra. Deslocamentos devido ao vento ou qualquer outro fator que não tenha sido causado por um comando do piloto são compensados para que o ve´ıculo mantenha sua posi¸cão;

• Return To Launch (RTL): Este modo é ativado automaticamente quando o ve´ıculo perde comunica¸cão com o rádio controle. Ele também pode ser ativado manualmente pelo piloto e fará com que o piloto automático assuma controle e retorne o ve´ıculo para a posi¸cão na qual os motores foram armados antes de decolar.

• Auto: Um dos modos mais atrativos do ArduPilot pois permite que o ve´ıculo execute autonomamente um plano de voo previamente estipulado. Pode-se realizar um voo completo neste modo sem que nenhuma a¸c˜ao do piloto seja necess´aria.

Esses são os modos mais usados e são o suficiente para realizar a maioria das a¸cões poss´ıveis. Outro fator importante é que destes 5 modos, apenas Stabilize e Alt Hold não requerem GPS. Assim não existem muitos modos de voo que podem ser utilizados em ambientes fechados.

Um modo de voo é composto por duas fun¸cões básicas em código C++ respons´ a-veis por iniciar o modo de voo e manter o modo de voo ativo. O projeto adota por padrão

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que o nome destas fun¸cões deve seguir a regra “X init()” e “X run()” sendo X o nome do modo ao qual pertencem. A fun¸cão init() é responsável por verificar se as condi¸cões necessárias para se iniciar o modo são satisfatórias e, caso sejam, inicia as variável que seja de interesse. É esta fun¸cão que deve impedir que o modo seja ativado no caso dele exigir um sinal de GPS que não esteja presente, assim como a falta de qualquer outro sen-sor essencial para o funcionamento esperado modo de voo. Caso as condi¸cões não sejam encontradas o modo de voo atual é mantido. A fun¸cão run() tem como principal objetivo ler os sensores necessários e fazer a corre¸cão adequada no comportamento de voo. É nela também que são feitas as leituras dos comandos recebidos pelo RC em rela¸cão ao throttle, pitch, roll e yaw que depois são processados adequadamente. Através da bibliotecas dis-pon´ıveis do Ardupilot, a informa¸cão do comportamento desejado é então passada para a camada de abstra¸cão de hardware, que, por sua vez, é traduzido em comandos de atua¸cão para aos motores do ve´ıculo. Está fun¸cão é chamada no m´ınimo 100 vezes por segundo para manter o comportamento de voo desejado5.

3.4 MONTANDO O QUADRIC ´OPTERO

O ArduCopter permite escolher qual será o tipo do ve´ıculo utilizado. É poss´ıvel escolher se será utilizado um quadri, hexa ou octacóptero, assim como definir se o frame será em formato de X (dois motores à frente e dois atrás) ou cruz (um motor à frente, um atrás e um em cada lado). Estas escolhas não afetam o funcionamento do código devido à abstra¸cão feita pelo Ardupilot para os vários tipo de ve´ıculos. Pela praticidade escolheu-se um frame de quadricóptero em formato “x” devido à estabilidade e posicionamento da câmera. Outro fator importante na escolha do frame foi o trem de pouso. Neste caso o trem de pouso deve dar uma altura suficiente para que o gimbal não encoste no chão quando o quadricóptero estiver pousando.

O gimbal necessita de 11 Volts para operar corretamente uma vez que também utiliza motores para movimentar a câmera. Para este fim utilizou-se um cabo em paralelo com a alimenta¸cão fornecida pela bateria uma vez que as tensões são compat´ıveis.

O Ardupilot disponibiliza em seu site uma lista com as controladoras suporta-das6. Cada uma pode diferir no tipo de sistema operacional usado ou nos tipos e número de conectores para sensores e atuadores, porém não diferem em rela¸cão ao funcionamento do código. O projeto come¸cou com uma controladora baseada em Arduino e é poss´ıvel

5_{Code Overview: http://ardupilot.org/dev/docs/apmcopter-code-overview.html}

6_Escolhendo _uma _{Controladora:}

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implementar o ArduCopter até sua versão 3.2.1. O desenvolvimento com Arduino justifica o uso do ”Ardu” em Ardupilot mesmo que as novas versões não utilizem mais essa plata-forma. Conforme novas funcionalidades foram criadas, elas necessitavam de uma maior capacidade de processamento embarcado, então o desenvolvimento migrou para um Real Time Operational System RTOS ou, no caso do Erle-Brain e do Navio, hardware execu-tando um sistema operacional Linux. Enquanto controladoras execuexecu-tando um RTOS são recomendadas para uso geral, aquelas com sistema Linux são recomendadas para o desen-volvimento de aplica¸cões utilizando visão computacional devido à compatibilidade com outros hardware que um sistema Linux oferece, assim como a facilidade para desenvolver aplica¸cões espec´ıficas em qualquer linguagem de preferência.

A Pixhawk é a controladora mais simples de se utilizar com o Ardupilot. Desen-volvida em colabora¸cão com a 3D Robotics, ela utiliza um RTOS chamado NuttX e já inclui todos os sensores e interfaces básicas. Possui um Processador Cortex M4 de 168 MHz, acelerômetro, giroscópio, magnetômetro e barômetro e 5 UARTs. Apesar dele aten-der as necessidades para o desenvolvimento deste projeto, optou-se por utilizar o PXFmini por já possuir um Raspberry Pi, sendo necessário adquirir somente o PXFmini, e pela possibilidade de desenvolver projetos futuros aproveitando-se das vantagens de utilizar um sistema Linux embarcado.

3.5 AMBIENTE DE SIMULA ¸C ˜AO

Como ambiente de simula¸cão utilizou-se a biblioteca SITL do Ardupilot, que gera um executável para Windows ou Linux, capaz de se comunicar através do MAVLink. As-sim pode-se executar o GCS de preferencia para controlá-lo utilizando o protocolo padrão. Escolheu-se o Mission Planner por fazer parte do projeto Ardupilot e também ser um pro-jeto open source além de ser o GCS mais completo para Ardupilot até o momento. Ele não esta dispon´ıvel para Linux, mas caso necessário pode ser substitu´ıdo pelo APM Planner 2 que está dispon´ıvel para Linux, Windows e Mac. Depois de instalar as dependências necessárias basta conectar o software GCS ao executável utilizando o MAVLink. A co-munica¸cão por MAVLink também possibilita que o Ardupilot seja controlado através de um programa em ROS7 e utilizar o Gazebo8 como simulador. O Gazebo permite uma simula¸cão em 3D avan¸cada incluindo diferentes cenários e a simula¸cão do comportamento do Ardupilot ao aproximar-se de objetos virtuais inseridos na simula¸cão. Entretanto esta op¸cão não foi necessária pois o SITL do Ardupilot consegue simular o comportamento

7_{ROS: Robot Operational System - http://www.ros.org/about-ros/} 8_{Gazebo: Simulador para Robos autˆ}_{onomos - http://gazebosim.org/}

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4 NOVOS MODOS DE VOO PARA ARDUPILOT

Neste cap´ıtulo será detalhado como cada modo de voo foi criado visando realizar um tipo de movimento de câmera espec´ıfico. Alguns destes modos são capazes de executar mais de um movimento de câmera. Neste trabalho, o foco será o código de voo dos ve´ıculos do tipo Copter, assim as outras partes do código do Ardupilot não serão alteradas e as altera¸cões realizadas para esta categoria não afetarão as demais. Para cada movimento de câmera desejado, foi criado um novo modo de voo que irá permitir ao piloto executar o movimento desejado de forma simplificada.

4.1 FREE CIRCLE

Este modo foi pensado com o objetivo de prover ao piloto uma forma de realizar um movimento circular onde o raio pode variar de acordo com sua vontade. Ele foi inspirado no modo de voo Circle já existente no ArduCopter e aproveita de algumas de suas caracter´ısticas para dar mais op¸cões ao piloto. O modo Circle utiliza o GPS para determinar um ponto central em torno do qual o ve´ıculo descreve uma circunferência de raio fixo. Aproveitando-se desta caracter´ıstica o modo Free Circle foi pensado para permitir que o piloto consiga alterar o raio e a velocidade do movimento de órbita em rela¸cão a um ponto. O ponto inicial é definido ao ativar o modo de voo e não se altera enquanto ele estiver ativo. O raio pode ser controlado pelo piloto utilizando o pitch do seu radio controle. Já a velocidade angular pode ser controlada utilizando o yaw. Mantendo um raio constante o ve´ıculo irá executar uma circunferência idêntica com o modo Circle mas, ao alterar o raio, o ve´ıculo irá se deslocar para se ajustar ao novo raio estipulado. Caso o raio seja incrementado ou decrementado de forma constante, o ve´ıculo irá descrever uma espiral. Por padrão, o sentido do movimento é horário, porém este pode ser invertido uma vez que a velocidade do movimento for negativa, o que pode ser obtido deslocando o yaw para a esquerda do ponto central. Com um raio igual a 0 o movimento de câmera será o mesmo de Pan (figura 2.2).

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criada com base na biblioteca AC Circle utilizada pelo modo Circle. Notou-se a neces-sidade de criar uma nova biblioteca uma vez que a biblioteca AC Circle não atualiza o valor do raio de forma eficiente para gerar uma trajetória em espiral. Os testes feitos não forneciam um movimento flu´ıdo como desejado, assim optou-se por criar esta biblioteca com algumas modifica¸cões que permitiram criar os dois tipos de movimento em espiral desenvolvidos. Neste movimento, a biblioteca AC Spiral corrigiu o cálculo das velocida-des horizontais (latitude e longitude), que antes era feito com um raio constante. Como o controle do deslocamento do ve´ıculo é feito integrando-se o valor do acelerômetro por um curto per´ıodo de tempo, e a biblioteca AC Circle considerava que o raio era constante, com o passar do tempo o ve´ıculo se encontrava em um raio diferente do calculado devido ao erro acumulativo. Este erro foi corrigido incluindo-se o valor atualizado do raio no cálculo das velocidades.

Assim o modo permite que o piloto realize uma espiral variando o raio ao longo do movimento ou uma circunferência com velocidade variada. Outra op¸cão é realizar apenas uma fra¸cão da circunferência e inverter o seu sentido alterando a velocidade angular do movimento. Um movimento de Pan constante também pode ser realizado definindo o raio igual a zero.

4.2 GOLDEN SPIRAL

A principal diferen¸ca deste movimento para o movimento anterior é o fato de que o raio não é controlado pelo piloto. O piloto pode controlar o sentido (horário ou anti-horário do movimento) através do pitch mas o desenvolvimento da espiral é automático. O raio é calculado a partir do ângulo total percorrido pelo movimento utilizando-se a fórmula da espiral de ouro r(θ ) = e0,30635.θ (MAINZER, 1996), onde θ é o ângulo total em radianos. Assim o movimento de espiral é executado praticamento sozinho. O piloto tem o controle sobre a velocidade angular apenas, podendo acelerar, pausar ou inverter o sentido do movimento.

4.3 DOLLY

Neste modo o ArduCopter guarda a dire¸cão para a qual o ve´ıculo esta apontando no momento em que o modo é ativado. Uma vez estabelecida esta dire¸cão, o ve´ıculo não irá assumir outra dire¸cão de movimento mesmo que o seu eixo yaw seja alterado. Isto permite que movimentos de Dolly sejam realizados em uma dire¸cão espec´ıfica, mudando a dire¸cão para a qual o ve´ıculo aponta mas mantendo a mesma dire¸cão de deslocamento.

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Figura 4.1: B´ussola do Ardupilot

Fonte: Autoria pr´opria

A primeira biblioteca utilizada neste movimento foi a AHRS para fornecer o ˆ an-gulo atual para qual o ve´ıculo aponta. O ângulo é fornecido por esta biblioteca de acordo com a figura 4.1 e é sempre relativo ao norte verdadeiro. A AHRS faz automaticamente a conversão do norte magnético obtido pelo magnetômetro para o norte verdadeiro. Uti-lizando o conceito de matriz de rota¸cão (ANTON; RORRES, 2012), foram definidas as equa¸cões abaixo para que o valor de roll e pitch fossem convertidos para manter sempre a mesma dire¸cão que a inicial.

roll = −pitch_RC∗ sin(θ ) (4.1)

pith= pitch_RC∗ cos(θ ) (4.2)

roll_{f inal} = roll ∗ cos(α) + pitch ∗ sin(α) (4.3)

pitch_{f inal}= −roll ∗ sin(α) + pitch ∗ cos(α) (4.4)

onde pitchRCé o valor de pitch fornecido pelo rádio controle, θ é o ângulo para o qual o ve´ıculo apontava quando o modo foi iniciado e α é o ângulo atual. São necessárias duas rota¸cões. A primeira converte o pitch do piloto para pitch e roll do ve´ıculo conforme o ângulo inicial em rela¸cão ao norte verdadeiro (equa¸cões 4.1 e 4.2). Está conversão faz com que o ângulo referência passe a ser o ângulo θ . A segunda serve para rotacionar os valores obtidos para o ângulo desejado (equa¸cões 4.3 e 4.4) baseando-se no ângulo atual

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para qual o ve´ıculo se encontra.

A segunda biblioteca utilizada foi a WP Nav. Neste modo não interessa a na-vega¸cão por coordenadas geográficas que ela oferece, mas sim em uma fun¸cão espec´ıfica que utiliza o GPS e os sensores da IMU para compensar um poss´ıvel deslocamento do ve´ıculo causado pelo vento. Ao invés de passar os valores recebidos do rádio controle aos motores, estes valores são tratados pela biblioteca e a a¸cão necessária para compensar o vento é adicionada aos valores de pitch e roll.

4.4 CRANE

O modo Crane, como o próprio nome induz, visa simular o funcionamento da Luma mencionado anteriormente. Ao ser ativado, o ArduCopter guarda a localiza¸cão atual como ponto de referência e a partir de então, não importa qual movimento seja realizado, o ve´ıculo manterá a sua frente apontada para aquele ponto

Para obter o resultado utilizou-se o mesmo princ´ıpio apresentado no desenvolvi-mento do modo Dolly para a conversão de pitch e roll recebidos. Desta vez, o valor de roll também entra no cálculo da primeira rota¸cão conforme as equa¸cões abaixo:

roll = roll_RC∗ cos(θ ) − pitchRC∗ sin(θ ) (4.5)

pith= roll_RC∗ sin(θ ) + pitchRC∗ cos(θ ) (4.6)

roll_{f inal} = roll ∗ cos(α) + pitch ∗ sin(α) (4.7)

pitch_{f inal}= −roll ∗ sin(α) + pitch ∗ cos(α) (4.8)

A primeira rota¸cão (equa¸cões 4.5 e 4.6) faz com que o ve´ıculo se desloque como se estivesse em um plano cartesiano rotacionado de acordo com sua posi¸cão inicial. A segunda rota¸cão (equa¸cões 4.7 e 4.8) faz com que o ve´ıculo em si rotacione para apontar para a coordenada estabelecida quando o modo de voo foi iniciado. Como a biblioteca WP Nav já possui uma fun¸cão que calcula o ângulo necessário entre o ve´ıculo e uma coordenada de destino, bastou configurar a coordenada inicial como ponto de destino na inicializa¸cão do modo, na fun¸cão init(), e passar para a biblioteca o ângulo obtido toda vez que o modo run() era executado.