É algo que pode parecer magia. Quando se pilota um zangão, sabe-se perfeitamente que há uma enorme quantidade de física, cálculos, software e engenharia que vai no sentido de tornar o seu voo super agradável. No entanto, para algumas pessoas apenas operar o zangão não é suficientemente bom. Sei que sou uma das pessoas que precisa de saber exactamente o que está a acontecer no meu drone, para que eu seja um piloto melhor e compreenda como resolver os problemas se eles aparecerem. Neste artigo vou rever todas as formas como um drone muda de direcção quer seja para cima, para baixo, esquerda, direita, para a frente, para trás, e bocejar para a esquerda e bocejar para a direita.
Um drone muda de direcção alterando as taxas a que cada uma das suas hélices gira. Enquanto um zangão está a pairar, as hélices adjacentes giram em direcções opostas para manter o zangão estável. Ao alterar a velocidade de cada um dos motores, podemos manipular o drone através do ar em todas as três dimensões.
Para o piloto do drone há muito pouca reflexão sobre o que está a acontecer e eles podem simplesmente mover os joysticks para controlar o drone. Contudo, o drone está a fazer muito mais trabalho porque precisa de calcular a sua própria aceleração, momento, altura e altitude, ao mesmo tempo que combate quaisquer condições ambientais como correntes de ar e ventos horizontais.
A física de manter um zangão no ar é de facto muito complicada.
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A física de manter um zangão no ar
No coração do drone está o controlador de voo que envia as informações dos motores através de uma unidade electrónica de controlo de velocidade sobre a forma como devem rodar e também sobre a velocidade a que devem ser rodados. O controlador de voo também analisará os dados do GPS, a aceleração e a direcção para a qual o drone está a apontar antes de enviar a informação para o motor, de modo a que este permaneça num pairar estável num local fixo do GPS.
Cada um dos motores gira uma hélice. As hélices são utilizadas para a propulsão e controlo do movimento do drone. Estas hélices funcionam como as aletas de um ventilador que empurra o ar para o solo. À medida que o ar é empurrado para o solo, o zangão é capaz de se sugar a si próprio para o ar. Existe uma baixa pressão que é criada na borda dianteira e no topo da hélice, pelo que o drone aspira literalmente a si próprio para o ar.
Se quiser pairar o zangão tem de deslocar tanto ar quanto pesa. Deslocar mais ar fará o drone subir e se as hélices rodarem um pouco mais devagar e deslocarem menos ar, o drone descerá.
A direcção da hélice do drone é muito importante uma vez que cada um dos motores do drone precisa de rodar na direcção oposta à dos motores que está ao lado. Isto cancela qualquer impulso angular e assim o drone permanece num lugar virado numa direcção.
Direcção da hélice de propulsor de rotor seco
Meu DJI Mavic air tem quatro motores e hélices. A forma como cada uma das hélices gira é determinada pelo motor. E é necessário certificar-se de que as hélices são inseridas nos motores apropriados, caso contrário o zangão ficaria simplesmente fora de controlo.
É fácil de calcular de que forma o motor deve girar, olhando para a borda dianteira da hélice à medida que gira na direcção da borda dianteira da hélice.
Para a maioria dos drones a direcção da hélice do drone para cada motor é a seguinte:
- Front Left – Clockwise motor (CW)
- Front Right – Counter Clockwise motor (CCW)
- Back Left – Counter Clockwise motor (CCW)
- Back Right – Clockwise motor (CW)
Anotaste isto na foto do meu DJI Mavic abaixo:
Todos os movimentos do zangão são controlados girando as hélices de várias maneiras diferentes. Para controlar os movimentos, algumas hélices são desaceleradas enquanto outras são aceleradas. Por vezes isto acontece completamente (como no caso de subir ou subir) e por vezes acontece em momentos diferentes em lados diferentes da aeronave (como no caso do movimento para a frente e para trás).
Na próxima secção vou rever todos os movimentos principais de um zangão e ilustrar exactamente como cada um dos movimentos principais é realizado.
Os principais movimentos de um zangão
voar um zangão envolve, da perspectiva de um piloto, simplesmente mover o joystick através do seu alcance de movimento. Essa simples acção de joystick traduz-se num movimento bastante complicado a partir do drone. O joystick esquerdo do zangão é responsável tanto pela escalada como pela guinada (rotação no sentido horário ou anti-horário num local fixo).
O joystick do lado esquerdo
O joystick esquerdo do controlador faz o zangão subir e descer e também rodar no sentido horário e anti-horário. Essencialmente, são todas as acções do zangão onde este permanece numa localização GPS.
Up / subir
Quando se empurra para cima no joystick esquerdo de um controlador de zangão, todas as hélices de zangão aumentam na sua velocidade ou rotações por minuto. As revoluções por minuto aumentam o que gera mais impulso para cima, deslocando mais ar e forçando-o para o chão.
Todas as hélices aumentam a velocidade de rotação.
As hélices têm de ser muito cuidadosas para acelerar exactamente ao mesmo ritmo, caso contrário será criada outra direcção no seu movimento. É preciso muito para um drone rodar cada uma das hélices com o número exacto de rotações por minuto para subir e não se mover a partir da sua localização GPS fixa.
Down / descer
Para um zangão diminuir em altura, acontece exactamente o oposto da subida. Ou seja, cada uma das hélices dos zangões diminui no número de rotações por minuto. Isto essencialmente, permite que a gravidade seja uma força maior do que o impulso gerado pelas hélices.
Como um zangão está a descer para parar, precisa de aumentar ligeiramente o número de rotações por minuto para aumentar o impulso de modo a igualar a força da gravidade em direcção à terra. Em Toy Story Buzz ano-luz é dito que ele não está a voar aqui simplesmente a cair com estilo. Isto é exactamente o que os zangões estão a fazer quando estão a descer. Estão simplesmente a permitir que a gravidade os puxe em direcção à terra, o que é uma forma extravagante e controlada de queda.
Yaw
Yaw é quando o zangão gira no sentido dos ponteiros do relógio ou no sentido anti-horário enquanto permanece num local com GPS. Ou seja, que o zangão não se está a mover para a frente ou para trás. Este movimento requer um cálculo bastante complicado em nome do software do zangão.
Quando o zangão está a rodar no sentido dos ponteiros do relógio ou no sentido contrário, precisa de controlar as hélices que são diagonais umas para as outras. Se as hélices diagonais direitas rodarem mais rapidamente, geram uma força devido ao aumento do momento angular que permite ao drone rodar para a esquerda. Se as hélices diagonais da esquerda rodarem mais rapidamente, geram o movimento oposto.
Então, o movimento anti-horário ou horário do zangão é causado pelas hélices diagonalmente opostas umas às outras, girando mais rápida ou mais lentamente.
O joystick do lado direito
O joystick da mão direita do controlador do zangão é o que eu tenho brincado a chamar ao joystick divertido. Isto porque lhe permite ampliar o seu zangão por todo o lado. A grande vantagem de um zangão é que não só se pode mover para a frente ou para trás, como também se pode mover de um lado para o outro.
A orientação das hélices em torno do zangão permite uma gama completa de movimentos no plano horizontal. Combinando diferentes combinações de joystick também é possível bocejar e mover-se ao mesmo tempo. A combinação de diferentes movimentos ainda é feita pelo controlo por minuto que o software tem sobre as rotações por minuto que cada motor está a rodar.
Todos os movimentos do joystick da mão direita criam um aumento ou vinco profundo na velocidade de rotação das hélices que estão umas ao lado das outras. Nas secções abaixo falaremos sobre aquilo com que cada um dos movimentos se correlaciona.
Esquerda
Se o zangão quiser mover-se para a esquerda para corresponder com a deslocação do joystick para a esquerda, as hélices do lado direito giram mais rapidamente do que as hélices do lado esquerdo.
Isso faz com que o lado esquerdo do zangão mergulhe ligeiramente enquanto o lado direito do zangão se eleva ligeiramente. O impulso global dos rotores permanece o mesmo que permite ao drone permanecer a uma altitude fixa, mas a ligeira diferença entre o lado esquerdo e o lado direito dos rotores do drone faz com que o drone se desloque para a esquerda.
Direito
Movimento do drone para a direita movendo o joystick para o lado direito faz com que as hélices do lado esquerdo aumentem em termos do número de rotações por minuto que o motor está a rodar e o lado direito das hélices do drone reduza cada vez mais ligeiramente.
Como no caso de se mover para a esquerda, isto faz com que o lado direito do zangão mergulhe ligeiramente enquanto se eleva a borda esquerda do zangão. O impulso global dos motores permanece o mesmo, o que permite a um drone manter uma altitude fixa.
Avançar
Para mover um zangão para a frente, a extremidade frontal do zangão precisa de mergulhar ligeiramente enquanto a parte de trás do zangão se eleva.
Isso é conseguido baixando as rotações por minuto da frente para os motores e elevando as costas para os motores. Esta diferença na rotação da hélice faz com que o drone se mova para a frente.
Backwards
Para mover o zangão para trás a borda traseira do zangão precisa de mergulhar ligeiramente enquanto a borda dianteira do zangão se eleva ligeiramente. Notará que isto é exactamente o oposto do movimento para a frente.
Para cada um dos movimentos do joystick certo poderá observar para que lado o zangão se inclina para conseguir o movimento. Por vezes, particularmente em ambientes de vento forte, e movendo-se muito rapidamente, o zangão não manterá a sua posição vertical muito bem.
Noto que quando movo o meu drone para trás muito rapidamente a uma altitude relativamente alta, o drone simplesmente cairia em altura. Assim, os cálculos não são perfeitos, mas podem ser facilmente afinados, fornecendo um corte manual enquanto voa.
Um diagrama simples para todos os movimentos do zangão
Aqui está um diagrama simples para cada um dos movimentos do zangão que demonstra como cada um dos rotores se move à medida que executa cada um dos movimentos discutidos acima. Ou seja, para cima, para baixo, no sentido horário, no sentido anti-horário, para a frente, para trás, para a esquerda e para a direita.
No diagrama acima as hélices que giram mais rapidamente durante cada um dos movimentos são destacadas com um “plus” vermelho. O joystick da esquerda é mostrado no lado esquerdo enquanto que os movimentos do joystick da direita são mostrados no lado direito. Note que se o zangão estiver a manter uma altura constante, as outras hélices rodam a uma velocidade ligeiramente reduzida para não alterar o impulso global que o zangão está a produzir.
Todas estas combinações são suficientes para mover completamente o zangão através do espaço 3D.
Outras coisas que o zangão está a fazer.
Um drone está também a fazer uma carga de cálculos extravagantes para se manter num padrão de voo estável. O drone depende de toda uma gama de diferentes sensores que trabalham em conjunto para alimentar a placa do microcontrolador com informação, a qual é então capaz de manter o drone numa posição estável.
alguns drones não são capazes de pairar automaticamente ou manter uma altitude estável e isso porque lhes faltam alguns dos componentes necessários para fazer esses cálculos.
A gama de sensores que estão num zangão inclui:
- GPS – este obtém as coordenadas do drone, identificando a sua localização relativamente a um número de satélites que estão em órbita geo-estacionária acima da terra.
- Barómetro – um barómetro detecta a pressão e permite que o drone calcule indirectamente a sua altura. Quanto mais alto o drone, mais baixa a pressão do ar.
- Magnetómetro – este detecta o campo magnético da Terra e é capaz de calcular a orientação do drone em relação ao campo magnético da Terra. Esta é essencialmente a bússola do zangão. É também uma das coisas que precisam de ser calibradas regularmente, especialmente se tiver percorrido uma distância razoável para voar o zangão.
- Acelerómetro – mede a aceleração do zangão mas é utilizado principalmente para saber a direcção em que a gravidade está a puxar o zangão.
- O giroscópio – um giroscópio fornece a velocidade angular do zangão e é utilizado para calcular a sua orientação num ambiente 3D.
Estes sensores estão constantemente a alimentar a unidade de controlo com informação que é utilizada para determinar a velocidade de rotação das hélices. Os zangões utilizam um controlador PID para determinar como mover o zangão através de um espaço 3D.
Controladores PID
PID significa Proporcional, Integral, Derivado e pode ser sintonizado numa gama de software de drone. Não se deixe adiar pela nomeação destes ganhos, eles são realmente apenas uma forma chique de dizer o seguinte:
- P analisa o erro actual – se a definição actual estiver longe do set point, a definição P irá empurrar para o manter próximo do set point. Quanto mais longe estiver, mais difícil será empurrar.
- I é o conhecimento adquirido com erros passados – isto olha para erros passados (causados por forças externas contínuas) e irá neutralizá-los.
- D é uma previsão de erros futuros – à medida que P começa a empurrar o valor próximo do set point, o valor D impede-o de ultrapassar massivamente.
O efeito de cada parâmetro do PID
Ao começar a brincar com os valores PID do seu zangão, notará que cada valor afecta o zangão de formas diferentes. Vamos olhar para cada valor de forma um pouco mais de valor.
P Ganho
O valor P (também conhecido como o valor ganho – é um dos aspectos mais importantes da regulação do voo de um zangão.
O valor determina o quanto o zangão deve trabalhar para se corrigir para alcançar a trajectória de voo desejada (controlada pela transmissão do controlador). Pode ser tanto demasiado alto como demasiado baixo:
Muito alto e o zangão irá oscilar. Isto é sintomático de uma sobrecorrecção agressiva pelo zangão e verá oscilações de alta frequência.
Muito baixo e o helicóptero sentirá que é lento a responder e poderá até ouvir os motores a spool para cima lentamente.
Para encontrar um bom valor de p deve aumentar gradualmente o valor de P até o zangão começar a oscilar e depois definir este valor para 50%.
I Ganho
I ganho é o ajuste que determina o quão duro o drone deve responder às forças externas – como manter a sua posição no vento ou devido a um centro de massa fora de linha ( muito facilmente causado pela actualização dos componentes do seu drone.
Muito alto e o zangão vai sentir-se sem resposta
Muito baixo e verá que terá de corrigir manualmente o padrão de voo dos seus zangões.
Você quer deixar o valor I o mais baixo possível sem ter que corrigir o padrão de voo manualmente.
D Ganho
O ganho D é como um amortecedor de choque para o valor P.
Se o valor D for demasiado baixo, o zangão não reagirá com rapidez suficiente.
Se o valor D for demasiado alto, o zangão oscilará com oscilações rápidas de pequena amplitude. Também pode diminuir a resposta dos quads e fazer o zangão sentir-se lento.
Incrementar o ganho D até o zangão começar a oscilar, pequenas oscilações rápidas. Reduzir para 50% deste valor.
O controlador PID é responsável por manter o seu zangão agradável e estável. Também proporciona mudanças de direcção suaves e se estiver a construir o seu próprio drone, é tão importante que esta funcionalidade seja ajustada para que o seu drone seja um prazer de voar e não faça nada nas extremidades dos movimentos do joystick.
Pode ser programado um zangão?
Existem muitos drones que podem ser programados utilizando aquilo a que chamam “pontos de passagem”. Os waypoints são essencialmente localizações GPS no céu que fazem com que o drone voe automaticamente através destes pontos específicos pré-definidos que têm uma longitude e latitude e uma altitude que o drone deve atravessar.
Existem muitos pontos de passagem e passes automáticos de aeronaves que podem ser descarregados online e carregados lateralmente no seu software de voo de aeronaves.
Drones são frequentemente programados para fins de investigação e se quiser saber sobre os melhores drones programáveis consulte o meu artigo aprofundado sobre a melhor investigação de drones programáveis [guia completo] – clique aqui.
Sumário
Drones voam e mudam de direcção alterando as revoluções por minuto em cada uma das suas quatro hélices e motores. Isto resulta em cada um dos quatro motores gerando uma quantidade diferente de impulso e, portanto, movendo o drone através do céu ou manipulando-o num local fixo, como no caso do bocejo (usando o momento angular).
O que é fantástico é que muito deste software e os cálculos são todos automatizados, o que significa que a sua experiência de voo não depende de ser capaz de compreender como cada um destes movimentos é criado, mas é tão simples como mover um joystick e desfrutar do processo de voo.
Ao chegar ao fim deste artigo está bem à frente de muitos dos pilotos de drone que não entendem como mudar de direcção de um drone. Agora que sabe tudo o que há para saber sobre cada um dos movimentos, é capaz de controlar melhor o seu drone e antecipar e resolver quaisquer problemas que possam ocorrer durante o seu voo.