ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE UM QUADROTOR TCC Rafael Martins Chimenes (UFMS)

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO DO SUL 
CAMPUS DE PONTA PORÃ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Rafael Martins Chimenes 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE UM QUADROTOR 
E SUA ESTAÇÃO DE PILOTAGEM REMOTA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ponta Porã 
2017
 
 
 
Rafael Martins Chimenes 
 
 
 
 
 
 
 
ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE UM QUADROTOR 
E SUA ESTAÇÃO DE PILOTAGEM REMOTA 
 
 
 
 
 
 
 
Monografia de Trabalho de Conclusão de Curso 
apresentada ao Curso de Ciência da Computação 
da Universidade Federal de Mato Grosso do Sul – 
Campus de Ponta Porã, como requisito parcial à 
obtenção do grau de Bacharel em Ciência da 
Computação. 
 
Orientador: Prof. Me. Patrik Olã Bressan. 
Co-orientador: Prof. Me. Glauder Guimarães 
Ghinozzi 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ponta Porã 
2017 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Aos meus pais, minha irmã, que com muito 
carinho е apoio, não mediram esforços para que eu 
chegasse até esta etapa da minha vida. Agradeço 
ao professor Glauder Guimarães Ghinozzi que 
pode me orientar durante seu afastamento médico, 
obrigado pela paciência na orientação е incentivo 
que tornaram possível а conclusão desta 
monografia. Agradeço também os meus amigos, 
pelas alegrias, tristezas е dores compartilhadas ao 
longo de minha graduação, que foram de grande 
ajuda ao meu desenvolvimento profissional e 
pessoal. 
 
 
 
 
RESUMO 
 
 
O recente avanço tecnológico permitiu que as Aeronaves Remotamente Pilotadas (RPA, 
do inglês Remotely Piloted Aircraft) fossem utilizadas em diversas aplicações, com diversos 
tamanhos, formatos variados, sensores e outros equipamentos embarcados se torna necessário 
o estudo e desenvolvimento de pesquisa que aprimore seu uso em tarefas que antes eram 
desempenhadas por tecnologias de difíceis acesso ou de custo elevado de operação. Este 
trabalho tem por objetivo apresentar um estudo prático e entendimento de todo o sistema de 
aeronaves remotamente pilotadas. Foi construído um multirotor do tipo quadrotor e 
implementado uma estação de pilotagem remota utilizado como plataforma de 
desenvolvimento o Arduino e a linguagem de programação Processing. Com os conceitos 
utilizados foi possível apresentar uma base para trabalhos futuros que poderão utilizar das 
técnicas de decodificação de dados da controladora de voo Naza-M Lite, transmissão de dados 
usando um link de telemetria com rádio frequência e implementação de um software que utiliza 
de recursos cartográficos e de streaming de vídeo. 
 
Palavras-chaves: aeronave remotamente pilotadas, arduino, processing 
 
 
 
ABSTRACT 
 
 
The recent technological breakthrough has allowed remotely piloted aircraft (RPA) to be used 
in a variety of applications, with varying sizes, varied formats, sensors and other embedded 
equipment, it becomes necessary to study and develop research that increases its use in tasks 
that were previously Made by difficult access or high cost technologies. This work aims to 
present a practical study and understanding of the entire system of remotely piloted aircraft. It 
was built a multitortor-type quadrotor and a remote piloting station, was used as an Arduino 
development platform and programming language Processing. With the concepts used, it was 
possible to present a basis for future work, using the techniques used to decode Naza-M Lite 
flight controller data, transmitting data using a telemetry link using radio frequency and 
implementing software with Mapping and video streaming features. 
 
Key-words: remotely piloted aircraft, arduino, processing 
 
 
 
LISTA DE FIGURAS 
 
Figura 1: RPA hipersônica SR-72 ............................................................................................ 12 
Figura 2: Black Hornet PD-100 uma nano RPA militar ........................................................... 13 
Figura 3: Exemplo da técnica de mosaico ortofotos................................................................. 15 
Figura 4: Modelo digital da superfície, gerado a partir do mosaico ortofotos ......................... 16 
Figura 5: Mapa de saúde da planta ........................................................................................... 17 
Figura 6: Seis quadrotor transportando um anel fino e flexível ............................................... 19 
Figura 7: Quadrotor montando uma estrutura com corda......................................................... 19 
Figura 8: Construção de uma torre de 6 metros de 1500 tijolos de espuma ............................. 20 
Figura 9: Estimativa global de investimento em RPAs até o ano de 2021 ............................... 21 
Figura 10: Comparação das vendas de RPA por setores .......................................................... 21 
Figura 11: Ehang 184 ............................................................................................................... 24 
Figura 12: Diagrama esquemático dos dispositivos de um quadrotor ...................................... 27 
Figura 13: Diferentes tipos de montagem de um multirotor .................................................... 28 
Figura 14: Comandos de controle em cada eixo de um quadrotor ........................................... 29 
Figura 15: Comando de Pich em quadrotores, onde ∆v é a variação de velocidade somada aos 
rotores dianteiros e subtraída dos traseiros. .............................................................................. 30 
Figura 16: Funcionamento dos motores brushed e brushless ................................................... 31 
Figura 17: Esquema de ESC com entrada de controle PWM e três fases de saída para 
alimentação do motor brushless ............................................................................................... 33 
Figura 18: Sinal PWM .............................................................................................................. 34 
Figura 19: Funcionamento dos Stick ........................................................................................ 37 
Figura 20: Posição em que se encontra o nível baixo de 0,3ms em um instante de 2ms do 
pulso PPM ................................................................................................................................ 38 
Figura 21: Giroscópio mecânico............................................................................................... 40 
Figura 22: Flame Wheel F450 .................................................................................................. 44 
Figura 23: Trem de pouso que será fixado na parte inferior do quadrotor ............................... 44 
Figura 24: Gráfico de eficiência (g/watts) do motor Sunnysky X2212 .................................... 47 
Figura 25: ZIPPY Flightmax .................................................................................................... 48 
Figura 26: Turnigy 9X .............................................................................................................. 49 
Figura 27: GPS & Compass Naza-M Lite. ............................................................................... 50 
Figura 28: Yi Action Cam ........................................................................................................ 51 
Figura 29: Arduino Nano .......................................................................................................... 53 
Figura 30: Arduino Uno ........................................................................................................... 54 
Figura 31: Montagemda estrutura do quadrotor. ..................................................................... 55 
Figura 32: Conexões elétricas dos ESCs e conector da bateria na base de PCB ...................... 56 
Figura 33: Controladora Naza M Lite posicionada no centro da estrutura .............................. 56 
Figura 34: Quadrotor montado e equipado com todos seus sensores. ...................................... 58 
Figura 35: Configurações gerais para o quadrotor ................................................................... 59 
Figura 36: Configurações recomendadas pela DJI ................................................................... 60 
Figura 37: Conexões receptor RC com a controladora Naza-M Lite ....................................... 61 
Figura 38: Canal de comando de modo de voo: ....................................................................... 61 
Figura 39: Esquema para a obtenção de dados da Naza-M Lite .............................................. 63 
Figura 40: Dados da NAZA-M Lite apresentado na porta serial do Arduino. ......................... 64 
Figura 41: Conexão SPI feita entre o modulo RF e o arduino ................................................. 65 
Figura 42: Configurações de ganhos para quadrotor ................................................................ 69 
Figura 43: Quadrotor com os protetores de hélices .................................................................. 71 
Figura 44: Software da estação de pilotagem remota ............................................................... 73 
 
 
Figura 45: Pontos onde o GPS apontou estar. .......................................................................... 74 
Figura 46: Registro de instabilidade da ionosfera terrestre. ..................................................... 74 
 
 
 
LISTA DE TABELAS 
 
Tabela 1: Tipos de sensores utilizados em RPAs para o sensoriamento remoto da plantação . 17 
Tabela 2: Especificações do Flame Wheel F450 ...................................................................... 43 
Tabela 3: Especificações do trem de pouso .............................................................................. 44 
Tabela 4: Principais características do motor utilizado na construção do quadrotor ............... 45 
Tabela 5: Especificações dos ESCs utilizado no quadrotor ..................................................... 46 
Tabela 6: Especificações da bateria utilizada no quadrotor ..................................................... 48 
Tabela 7: Especificações da Yi Action Cam ............................................................................ 51 
Tabela 8: Comparação entre Arduino Uno R3 e Arduino Micro ............................................. 54 
Tabela 9: Conexões das portas de entrada da controladora de voo .......................................... 57 
Tabela 10: Conexões das portas de saída da controladora de voo............................................ 57 
Tabela 11: Relação entre posição do vetor com o identificador............................................... 66 
Tabela 12: Autonomia de voo .................................................................................................. 71 
 
 
 
SUMÁRIO 
 
1 Introdução ............................................................................................................................ 10 
1.1 OBJETIVOS ....................................................................................................................... 10 
1.1.1 Objetivo geral ................................................................................................................. 10 
1.1.2 Objetivos específicos ...................................................................................................... 11 
1.2 APLICAÇÕES ................................................................................................................... 11 
1.2.1 Militar ............................................................................................................................. 11 
1.2.2 Busca e Resgate .............................................................................................................. 13 
1.2.3 Segurança e Monitoramento......................................................................................... 14 
1.2.4 Fotografia e Filmagem .................................................................................................. 14 
1.2.5 Mapeamento ................................................................................................................... 15 
1.2.6 Agricultura ..................................................................................................................... 16 
1.2.7 Pesquisas ......................................................................................................................... 18 
1.3 ASPECTOS ECONÔMICOS ............................................................................................. 20 
1.4 REGULAMENTAÇÃO ..................................................................................................... 22 
2 Fundamentação teórica ....................................................................................................... 22 
2.1 HISTÓRICO ....................................................................................................................... 23 
2.2 CLASSIFICAÇÃO ............................................................................................................. 25 
2.2.1 Asas Fixas ....................................................................................................................... 25 
2.2.2 Asas Rotativas ................................................................................................................ 26 
2.2.3 Dirigíveis ......................................................................................................................... 26 
2.3 FUNCIONAMENTO DE UMA RPA DE ASA ROTATIVA ........................................... 27 
2.3.1 Estrutura ........................................................................................................................ 30 
2.3.2 Motores ........................................................................................................................... 30 
2.3.3 ESC (Eletronic Speed Controller) ................................................................................ 32 
2.3.4 Hélices ............................................................................................................................. 34 
2.3.5 Bateria ............................................................................................................................ 35 
2.3.6 Comunicação .................................................................................................................. 36 
2.3.6.1 Radio Controle .................................................................................................. 36 
2.3.7 Sensores .......................................................................................................................... 38 
2.3.7.1 Altímetro ........................................................................................................... 39 
2.3.7.2 Giroscópio ........................................................................................................ 39 
2.3.7.3 Acelerômetro .................................................................................................... 40 
2.3.7.4 Magnetômetro ................................................................................................... 41 
 
 
2.3.7.5 GPS ................................................................................................................... 41 
2.3.8 Placa controladora de voo .............................................................................................42 
3 Desenvolvimento .................................................................................................................. 43 
3.1 DISPOSITIVOS UTILIZADOS ........................................................................................ 43 
3.1.1 Motores utilizados ......................................................................................................... 45 
3.1.2 ESCs utilizados .............................................................................................................. 45 
3.1.3 Hélices utilizadas ........................................................................................................... 46 
3.1.4 Bateria utilizada ............................................................................................................. 47 
3.1.5 Rádio controle utilizado ................................................................................................ 49 
3.1.6 Sensores utilizados ......................................................................................................... 50 
3.1.8 Placa Controladora de voo ........................................................................................... 52 
3.1.9 Arduino ........................................................................................................................... 52 
3.2 CONSTRUÇÃO DE UM QUADROTOR ......................................................................... 55 
3.3 CONFIGURAÇÃO DA CONTROLADORA DE VOO ................................................... 58 
3.3.1 Configurações de ganho do quadrotor ........................................................................ 59 
3.4 CONFIGURAÇÃO DO RADIO CONTROLE .................................................................. 60 
3.5 IMPLEMENTAÇÃO DE UMA ESTAÇÃO DE PILOTAGEM REMOTA ..................... 62 
3.5.1 Decodificação dos dados da Naza-M Lite .................................................................... 62 
3.5.1 Enlace de telemetria com Arduino ............................................................................... 65 
3.5.2 Aplicação de monitoramento ........................................................................................ 66 
4 Resultados ............................................................................................................................ 68 
4.1 RESULTADOS DOS VOOS REALIZADOS ................................................................... 68 
4.1.1 Ganhos dos sensores ...................................................................................................... 68 
4.1.2 Resultado dos modos de controle ................................................................................. 69 
4.1.3 Pouso e decolagem ......................................................................................................... 70 
4.1.4 Resultados da autonomia de voo. ................................................................................. 71 
4.2 RESULTADO ESTAÇÃO DE PILOTAGEM REMOTA ................................................. 72 
5 Conclusão ............................................................................................................................. 75 
Referências .............................................................................................................................. 77 
 
10 
 
1 INTRODUÇÃO 
 
 
O avanço na tecnologia computacional nos últimos anos impulsionou o 
desenvolvimento das aeronaves remotamente pilotadas, do inglês Remotely Piloted Aircraft 
(RPA). Com a miniaturização de dispositivos eletrônicos, tais como sensores e micro 
controladores, a construção utilizando materiais mais leves, juntamente com o desenvolvimento 
de softwares e sistemas globais de navegação foram algumas das tecnologias que permitiram o 
avanço no desenvolvimento das RPAs (INAMASU; JORGE, 2014). 
As RPAs são aeronaves operadas a distância, sendo capazes de executar tarefas sem a 
necessidade de tripulação, o que possibilita seu emprego em missões de alto risco com baixo 
custo operacional e sem risco a vida de tripulantes. O tamanho reduzido é outra vantagem das 
RPAs, pois é possível ter acesso a locais antes inacessíveis por aeronaves tripuladas. 
Com a infinidade de aplicações e as tecnologias empregadas que estão em constante 
evolução, torna-se necessário o estudo e desenvolvimento de métodos que tornem o uso de RPA 
cada vez mais viável. 
 
 
1.1 OBJETIVOS 
 
 
Este trabalho tem por objetivo fazer um estudo das aeronaves remotamente pilotadas, 
suas aplicações, espera-se entender seu funcionamento e pôr em prática o conhecimento 
adquirido com um exemplo prático de todo o seu sistema de operação, desde a aeronave até os 
sistemas computacionais que a compõe. Com isso será possível disponibilizar uma base para 
que novas pesquisas, métodos e aplicações sejam elaboradas futuramente. 
 
 
1.1.1 Objetivo geral 
 
 
Este trabalho tem como objetivo geral construir uma RPA do tipo quadrotor por ser de 
construção mais simples. Para sua operação deve ser desenvolvida uma estação de pilotagem 
remota. Espera-se entender e prover uma amostra de todo o funcionamento de um sistema de 
11 
 
aeronave remotamente pilotada abrindo as possibilidades para o novas soluções e opções para 
seu emprego. 
 
 
1.1.2 Objetivos específicos 
 
 
Será desenvolvido o hardware de uma RPA do tipo quadrotor que irá utilizar uma placa 
controladora de voo para a sincronização dos motores e estabilização do voo, essa controladora 
de código fechado já possui o software necessário para controle e estabilização da aeronave. 
Para a pilotagem remota do quadrotor, uma estação de pilotagem remota será implementada, a 
estação usará um enlace de telemetria usando a plataforma Arduino para a leitura e 
decodificação dos sensores integrados à placa controladora de voo e para a transmissão e 
recepção dos dados. Por fim, deve ser desenvolvido um software para computador que receberá 
as imagens de uma câmera embarcada e apresentará as informações de voo e telemetria. 
 
 
1.2 APLICAÇÕES 
 
 
Com diversos tamanhos, formatos variados e equipamentos embarcados o uso de RPAs 
pode se transformar em inúmeros serviços. Seu uso já é realidade em diversas empresas e 
instituições que antes recorriam a aeronaves tripuladas e satélites quando era preciso fotografar, 
monitorar ou mapear uma área em solo. Nas subseções seguintes serão apresentadas algumas 
das aplicações onde as RPAs estão sendo empregadas. 
 
 
1.2.1 Militar 
 
 
As RPAs são amplamente utilizadas pelas forças armadas de diversos países, elas 
tiveram um crescimento exponencial de uso e desenvolvimento tecnológico na aplicação militar 
desde a sua criação. Rodrigo (2016) aponta, “A evolução dos drones (RPA) para as novas 
funções não seria possível se há algumas décadas os investimentos militares não tivessem feitos 
12 
 
dos VANTs (Veículos Aéreos Não Tripuláveis) uma prioridade nos exércitos mais modernos 
do mundo”. 
A justificativa para os investimentos em tal tecnologia se deu por conta da possibilidade 
de se estudar e atacar inimigos sem o envio de corpo vulnerável para a área de conflito. Os 
Estados Unidos utilizam desta vantagem no combate ao terrorismo. Acredita-se que entre os 
mortos e feridos dos ataques, estejam milhares de adultos e crianças civis. Com isso o uso de 
RPAS em ataques gerou polemica e várias discussões de defensores dos direitos humanos, a 
Organização das Nações Unidas (ONU) e a Anistia Internacional decidiram cobrar providencias 
diante dos números assombrosos (BERNARDO, 2015). 
Mesmo com as críticas contra o uso de RPAs em ataques militares, novas tecnologias 
estão sendo desenvolvidasalgumas delas são: 
• RPAs hipersônicas: o SR-72(Figura 1) projetado para voar 6 vezes a velocidade 
do som (ALBRIGHT, 2014). 
Figura 1: RPA hipersônica SR-72 
 
Fonte: (LOCKHEEDMARTIN, 2013). 
 
• Nano RPAs: Black Hornet PD-100 (Figura 2), uma RPA de cerca de 100 
milímetros de cumprimento e 16 gramas, que pode fornecer vigilância, apoio e 
reconhecimento em missões militares1. 
 
1 Disponível em: <http://www.proxdynamics.com/products/pd-100-black-hornet-prs>. Acesso em: 20 de julho de 
2016. 
13 
 
Figura 2: Black Hornet PD-100 uma nano RPA militar 
 
Fonte: (PROXDYNAMICS, 2015). 
 
1.2.2 Busca e Resgate 
 
 
As RPAs também podem ser úteis para salvar vidas em operação de busca e salvamento, 
também conhecida pela sigla em inglês SAR (Search And Rescue), que são operações com 
objetivo de localizar e resgatar pessoas em condições arriscadas (CHAVES, 2013). Um dos 
grandes desafios em operações SAR é localizar a vítima em locais de difícil acesso, como em 
desastres naturais ou na vastidão de áreas de mata, floresta, montanha e áreas marítimas. O uso 
de RPAs se torna uma vantagem neste tipo de aplicação por serem ágeis, executam tarefas de 
risco sem a necessidade de tripulação, além do baixo custo operacional (AVEZ,2012). 
Várias empresas e pesquisadores estudam a viabilidade do uso de RPAs em entregas de 
remédios e envio de equipamentos médicos em locais de difíceis acesso ou quando há urgência 
medica. A empresa USPS de encomendas internacionais, e a Zipline International empresa de 
robótica, juntamente com a Gavi, um grupo que fornece vacinas em países pobres, estão 
desenvolvendo RPAs para entregas de sangue e vacinas em Ruanda segundo informações da 
Reuters (2016). Já na TU Delft (Delft University of Technology) o estudante de graduação Alec 
Monont, criou uma RPA que pode rapidamente transportar um desfibrilador até uma vítima de 
parada cardíaca, podendo um especialista acompanhar e instruir pessoas no local a partir de um 
streaming de vídeo (TU DELFT, 2014). No Rio de Janeiro, bombeiros utilizam RPAs 
equipados com boia salva-vidas para agilizar o salvamento de banhistas (CEROLIM,2016). 
14 
 
1.2.3 Segurança e Monitoramento 
 
 
Equipados com câmeras de vários tipos e GPS (Sistema de Posicionamento Global), 
uma RPA pode ser utilizada para percorrer trajetórias demarcadas e capturar imagens de uma 
região que deve ser monitorada, como por exemplo no monitoramento de queimadas. 
RPAs podem ser usadas para chegar a lugares em onde o homem corre algum risco, 
como na manipulação de materiais radioativos. No Japão, por exemplo, RPAs foram usadas 
para capturar imagens do interior de reatores danificados durante o acidente de Fukushima. 
 
 
1.2.4 Fotografia e Filmagem 
 
 
A evolução das câmeras digitais que se tornaram menores e capazes de captar imagens 
de alta qualidade e definição (HD), possibilitou que RPAs possam carregar esses dispositivos 
e se tornarem parte das ferramentas de cinegrafistas e fotógrafos. No cinema filmes como: 007 
– Operação Skyfall, Sam Mendes e O Lobo de Wall Street, foram filmados com a ajuda de 
RPAs (BERNARDO,2015). 
No jornalismo as RPAs são o meio mais barato dê se obter imagens aéreas, como em 
cobertura de eventos, ou podem auxiliar em matérias onde o jornalista não consegue o acesso 
físico ao local, ou corre risco de vida, como em conflitos, guerras, incêndios e desastres naturais 
(PASSE; GOSS, 2013). 
Em casamentos, RPAs podem ser uma exigência na hora de contratar um serviço de foto 
e vídeo, pois capturam imagens em diferentes ângulos, sem interferir na cerimônia (RODRIGO, 
2016). No mercado existem infinitas as possibilidades de uso de RPAs, as imagens captadas 
em ângulos privilegiados podem ser utilizadas em vários segmentos, desde agricultura, 
engenharia, construção civil, mercado imobiliário, eventos, publicidade entre outros. 
 
 
 
 
 
15 
 
1.2.5 Mapeamento 
 
 
O mapeamento 3D é uma tecnologia em ascensão que emprega as RPAs, conforme 
Carvalho.et al. (2005), esse tipo de fotografia é uma das áreas de pesquisa que tem mostrado 
ser mais promissoras em computação gráfica. Usando visão computacional, processamento de 
imagem e modelagem, a junção destas tecnologias se converte em várias aplicações, como por 
exemplo fazer uma reconstrução em 3D do Cristo Redentor (BLAYLOCK; BETSCHART; 
CHEN,2015). 
Nas subáreas da geotecnologia, a fotogrametria e sensoriamento remoto, as RPAs são 
uma solução barata que substitui as aeronaves tripuladas e são mais precisas que os satélites na 
obtenção de dados sobre terrenos com o mapeamento. Para isso usa-se a técnica de mosaico 
ortofotos ilustrada na Figura 3, que se trata de uma junção de imagens individuais tomadas pela 
aeronave em uma única imagem georreferenciada que cobre toda a área de interesse (NETO, 
2016). O resultado dessa junção pode ser visto na Figura 4. 
Figura 3: Exemplo da técnica de mosaico ortofotos 
 
Fonte: (IBGE,2016). 
 
16 
 
Figura 4: Modelo digital da superfície, gerado a partir do mosaico ortofotos 
 
Fonte: (GBC ENGENHARIA, 2016). 
 
O resultado gerado através da técnica de mosaico ortofotos é o Modelo Digital de 
Superfície (MDS) e Modelo Digital de Terreno1 (MDT), esses produtos são usados em projetos 
de engenharia civil, na agricultura e em mapeamento de áreas urbanas, entres outros. 
 
 
1.2.6 Agricultura 
 
 
Na agricultura as RPAs agregam ainda mais no crescimento da tecnologia e 
automatização no campo. O foco é a agricultura de precisão, tendo como finalidade minimizar 
custos e maximizar a produção (HOUAGGE; SALVADOR, 2015). As RPAs são usadas por 
empresas que atuam com levantamentos topográficos, mapeamento aéreo, consultoria 
ambiental, controle de pragas, correção de problemas, entre outros serviços. 
Segundo Neto (2014), as RPAs podem ser utilizadas durante toda a safra, desde o 
momento de escolher a propriedade para o plantio, fase a denominada pré-plantio, que se faz o 
levantamento topográfico do terreno, divisão dos talhões2 e o planejamento de escoamento da 
agua da chuva. E no pós-plantio pode-se mensurar o aproveitamento do plantio realizado. 
 
1 MDT é um modelo digital do terreno, onde é retirada todos os objetos do terreno. 
2 Unidade mínima de cultivo de uma propriedade que é construído com base em relevo e planejamento de 
mecanização. 
17 
 
No sensoriamento remoto de plantações é possível ter diferentes tipos de dados usando 
os vários tipos de câmeras e sensores. Segundo Inamasu e Jorge (2014), o uso de RPA na 
agricultura de precisão tem foco em sensores que medem a reflexão da radiação 
eletromagnética, assim é possível obter dados visíveis com câmeras RGB, que medem a 
radiação de luz visível (VIS) do espectro1 eletromagnético e com câmeras de infravermelho e 
térmicas que captam faixa de radiação invisível (o resultado da captura pode ser visto na Figura 
5), neste caso são duas faixas da radiação infravermelha, a próxima (NIR) e a media (SWIR). 
Com essas câmeras é possível acompanhar diferentes aspectos da saúde da plantação, veja na 
Tabela 1. 
Tabela 1: Tipos de sensores utilizados em RPAs para o sensoriamento remoto da plantação 
Sensores Aplicações 
Câmeras RGB. • Detecção de falha no Plantio. 
• Desenvolvimento da cultura. 
• Linhas de plantio. 
Câmeras Térmicas 
(SWIR). 
• Detecção de estresse hídrico. 
• Aceso de irrigação. 
Câmeras Multiespectrais 
(NIR). 
• Detecção de estresse nutricional. 
 
Figura 5: Mapa de saúde da planta 
 
Fonte: (AGROPICS, 2016).1 Intervalo completo de todas as possíveis frequências da radiação eletromagnética. 
18 
 
1.2.7 Pesquisas 
 
 
Segundo Sionek (2015), a maior parte dos pesquisadores estão trabalhando para 
melhorar as tecnologias das RPAs, deixando-as mais ágeis, autônomas e preparadas para 
trabalhar em grupos. O autor destaca a visão computacional como uma área de interesse em 
pesquisa, que possibilita a navegação autônoma sem a necessidade do GPS, algo necessário em 
busca e resgate. Seu uso pode ser necessário em edificações por exemplo, onde a precisão do 
GPS e sensores ficam comprometidas. Trabalho semelhante vem sendo desenvolvido no Reino 
Unido, a Universidade de Oxford desenvolve algoritmos onde a RPA consegue identificar a 
linha do horizonte e com isso estimar a sua altitude e orientação, a aeronave também é capaz 
de reconhecer outras linhas e navegar em áreas urbanas. 
 Alguns pesquisadores buscam formas de miniaturizar bateria e assim dar uma maior 
autonomia para RPAs multirotores que geralmente são pequenas e tem peso limitado para 
carregar baterias de alta capacidade. Já nas RPAs de asas fixas, que tem uma maior autonomia 
de voo, os esforços são grandes em aproveitar a energia solar para move-las, grandes empresas 
do ramo da Internet estão desenvolvendo estudos que visam o uso dessas aeronaves para 
espalhar acesso à internet pelo mundo: Facebook desenvolve o projeto Aquila1; e o Google 
desenvolve o projeto SkyBender2. 
O Instituto Federal Suíço de Tecnologia, em Zurique (ETH Zurich) desenvolve vários 
trabalhos envolvendo RPAs como: método de transporte de carga flexível com várias 
aeronaves, na Figura 6 é ilustrada a validação da pesquisa (D’ANDREA; RITZ, 2013); 
construção de estrutura tensionadas (ver Figura 7), onde cabos, fios e cordas precisão ser 
amarradas aplicando-se em uma trajetória para o quadrotor (AUGUGLIARO. et al., 2013); 
aeronaves cooperativas na construção de estrutura, a Figura 8 ilustra a construção de uma torre 
de tijolos de espuma (AUGUGLIARO. et al., 2014); além de outras pesquisas que envolvem 
aprendizagem de máquina, controle de trajetória, movimentos acrobáticos e rítmicos com 
quadrotores. 
 
1 Disponível em: <http://www.bbc.com/news/technology-36855166>. Acesso em: 26 de julho de 16. 
2 Disponível em: <https://www.theguardian.com/technology/2016/jan/29/project-skybender-google-drone-tests-
internet-spaceport-virgin-galactic>. Acesso em: 26 de julho de 2016. 
19 
 
Figura 6: Seis quadrotor transportando um anel fino e flexível 
 
Fonte: (D’ANDREA, RITZ, 2013). 
 
Figura 7: Quadrotor montando uma estrutura com corda 
 
Fonte: (AUGUGLIARO. et al., 2013). 
 
20 
 
Figura 8: Construção de uma torre de 6 metros de 1500 tijolos de espuma 
 
Fonte: Institute for Dynamic Systems and Control, ETH Zurich1. 
 
1.3 ASPECTOS ECONÔMICOS 
 
 
A revista norte-americana Business Insider publicou uma pesquisa apontando uma 
previsão de crescimento para o setor das RPAs, estimando que o mercado irá movimentar 12 
bilhões de dólares até 2021 (BUSINESS INSIDER, 2016). Essa projeção no mercado se dá por 
conta da popularização no uso civil e também as regulamentações deste tipo de aeronave. As 
empresas alegavam que sem uma regulamentação não era possível investir na aérea sem saber 
ao certo qual seriam as regras estabelecidas pelo governo. 
 
1 Disponível em:<http://www.idsc.ethz.ch/research-dandrea/research-projects/archive/flying-machine-enabled-
construction.html>. Acesso em: 26 de julho de 2016. 
21 
 
Figura 9: Estimativa global de investimento em RPAs até o ano de 2021 
 
Fonte: (BUSINESS INSIDER, 2016). 
 
Na Figura 9 é possível notar que o investimento do governo tende a crescer e dominar 
o mercado, principalmente para uso em aplicações militares e de segurança pública. Já o setor 
de indústria e comércio terá um crescimento significativo no entanto menor. 
Já a AUVSI (Associação Internacional de Sistemas de Veículos Não Tripulados), faz 
projeções sobre as vendas de RPAs e aponta o setor de agricultura será o que mais irá comprar 
aeronaves. Veja na Figura 10. 
Figura 10: Comparação das vendas de RPA por setores 
 
Fonte: AUVSI1. 
 
 
1 Disponível em:<http://www.auvsi.org/auvsiresources/economicreport>. Acesso em 11 de setembro de 2016. 
22 
 
1.4 REGULAMENTAÇÃO 
 
 
De acordo com a regulamentação do DECEA1 (Departamento de Controle do Espaço 
Aéreo) qualquer aeronave realize voo com o propósito diferente do que o de lazer é passível as 
regras do regulamento ICA 100-40 estabelecido pelo órgão. O regulamento estabelece que 
qualquer intento de operação de uma RPA deve ser devidamente analisado e aprovado pela 
ANAC (Agência nacional de Aviação Civil). 
O DECEA definiu dois tipos de autorização de voo, o para uso experimental e para uso 
com fins lucrativos. Na autorização de uso experimental deve-se solicitar à ANAC, um 
Certificado de Autorização de Voo Experimental (CAVE) neste caso é definido áreas 
especificas para os voos, chamadas de áreas de teste. No uso com fins lucrativos deve-se 
encaminhar um requerimento destacando as características da aplicação da RPA e um projeto 
de sistema demostrando os níveis de segurança do projeto. Todo voo de uma aeronave precisa 
de autorização do DECEA. 
 
 
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 
 
 
A regulamentação do DECEA define que, qualquer aeronave que se pretenda operar 
sem piloto a bordo será denominada de aeronave não tripulada e dentre as não tripuladas, as 
RPAs são todas aquelas pilotadas por meio de uma Estação de Pilotagem Remota, cuja sigla é 
RPS, também do inglês Remotely Piloted Estation. Todo os elementos envolvidos no voo de 
uma RPA são conhecidos como, sistema de aeronaves remotamente pilotadas, em inglês, 
Remotely Piloted Aircraft Systems (RPAS), a estação de pilotagem remota, o link ou enlace de 
comando e controle e os componentes associados a aeronave, como sistema de navegação, 
piloto automático, dentre outros possíveis (DECEA, 2015). 
Segundo o DECEA (2015), as aeronaves não tripuladas são amplamente conhecidas 
como VANT, nomenclatura oriunda do termo Unmanned Aerial Vehicle (UAV), que é obsoleto 
na comunidade aeronáutica internacional pois as principais organizações relacionadas a aviação 
não empregam o termo “veículo” e sim, aeronaves, e também por não ser considerado autônomo 
 
1 Órgão responsável pelo controle e regulamentação do uso do espaço aéreo brasileiro. 
23 
 
porque não depende apenas do vetor aéreo, mas também de uma estação de pilotagem, enlace 
e outros componentes que compõem o RPAS. 
Drone é um apelido informal para todo e qualquer aeronave não tripulada. Palavra de 
origem inglesa, significa "zangão" ou "zumbido". Rodrigo (2016) justifica o apelido pelo 
zumbido característico que se assemelha ao bater de asas de um inseto, o zangão, drone em 
inglês. 
 É importante frisar que o DECEA estabelece que o termo aeromodelo é para qualquer 
aeronave que seja exclusivamente de propósito recreativo. 
 
 
2.1 HISTÓRICO 
 
 
Um dos grandes desafios da humanidade foi poder voar, o homem observava na 
natureza essa capacidade em diversos seres e tentava copiá-los. No século XV Leonardo Da 
Vinci, polímata1 nascido na atual Itália, produziu estudos detalhados do voo de pássaros e 
projetou várias máquinas voadoras, uma delas a chamada Swan di volo (Cisne voador, em 
português) que imitava o sistema de voo de aves, mas nunca chegou a construi-la. 
Logo quando se fez possível voar, o homem encontrou várias aplicaçõespara o voo, 
uma delas foi o transporte utilizando dirigíveis (maquinas mais leves que o ar que podem ser 
controladas por lemes e motores) que antecederam os aviões (maquinas mais pesadas que o ar). 
Mas foi na guerra que o voo teve suas maiores aplicações, como o a espionagem, 
reconhecimento e até ataque aos inimigos. 
A primeira tentativa de se fazer uma Aeronave Remotamente Pilotada (RPA) foi de 
Archibald Low a "Aerial Target" (alvo aéreo) em 1916 (TAYLOR; MUNSON, 1977). Logo 
após o início da Primeira Guerra Mundial, Low teve a missão de encontrar uma maneira de 
controlar remotamente uma aeronave para que pudesse ser usado como um míssil teleguiado e 
assim em 1917, no comando da equipe de Trabalhos Experimentais da Força Aérea Britânica 
(British Royal Flying Corps) o engenheiro inglês fez o primeiro teste da AT (Aerial Target). 
A AT foi lançada da parte de trás de um caminhão com ar comprimido e demonstrou 
com sucesso a capacidade de ser controlada remotamente antes de ter que fazer um pouso 
forçado por conta de uma falha de motor. Durante a guerra vários outros projetos de RPA foram 
 
1 É uma pessoa cujo conhecimento não está restrito a uma única área. 
24 
 
realizados por Low e sua equipe, entre eles foi um foguete controlado, semelhantes aos usados 
pela Alemanha já na Segunda Guerra Mundial. 
As RPAs começaram a serem produzidas em grande escala em 1934 pelo ator britânico 
Reginald Denny que apostou no comércio das aeronaves para o uso como alvos de artilharia e 
hobbies. Ele e seus sócios fundaram a "Reginald Denny Industries" e abriram uma loja de 
aeromodelos em Hollywood conhecida como "Reginald Denny Hobby Shop", mais tarde 
chamada de "Radioplane Company". Denny e seus parceiros fabricaram cerca de quinze mil 
RPAs para o exército dos Estados Unidos durante a Segunda Guerra Mundial (PARKER, 2013). 
Em 1958, a Força Aérea dos EUA preocupada com as perdas de pilotos sobre território 
hostil começou a planejar o uso de aviões não tripulados em missões militares, embora tenha 
confirmado oficialmente que usava as RPAs somente em 1973 na guerra do Vietnã. No mesmo 
ano, Israel também iniciou o uso dessas aeronaves para combate. 
Com o aperfeiçoamento e miniaturização da tecnologia nas últimas décadas o uso de 
RPAs cresceu. Surgiram milhares de aplicações que usam diversos sensores, e outros recursos 
que a evolução da tecnologia proporcionou, as RPAs puderam voar por mais tempo, com mais 
velocidade e carregando mais peso. Surgiram os multirotores que permitem a decolagem 
vertical e uma maior estabilidade no voo, isso permitiu com que quaisquer pessoas, recebendo 
um treinamento básico pudesse controla-los. Logo várias empresas iniciaram testes para 
analisar a viabilidade de aplicá-los em serviços de entregas. 
Em 2016 em Las Vegas, Estados Unidos, na Consumer Electronics Show (CES), a 
empresa chinesa Ehang apresentou o Ehang 184 (Figura 11) uma aeronave que se assemelha 
às RPAs, porém capaz de transportar pessoas e voar de forma autônoma (THE GUARDIAN, 
2015). 
Figura 11: Ehang 184 
 
Fonte: (ENHANG, 2017). 
 
25 
 
2.2 CLASSIFICAÇÃO 
 
 
As aeronaves, em geral, são classificadas de acordo com a disposição dos componentes 
que a constituem. As suas diferentes formas de construção determinam as características que 
dão vantagens em cada tipo de aplicação, como por exemplo o uso de helicópteros em resgates 
e o serviço de entregas usando RPAs são aplicações onde a estabilidade de voo é crucial para a 
realização da tarefa, esta forma as aeronaves devem possuir rotores que às sustentam durante o 
voo. 
Em geral temos dois grandes grupos de aeronaves, as mais pesadas que o ar que se 
caracterizam pela sustentação resultante da aerodinâmica perpendicular ao vento. E temos as 
mais leves que o ar se caracteriza pela sustentação através da diferença de densidade entre o ar 
e a aeronave. No grupo das aeronaves mais pesadas que o ar as RPAs podem ser classificadas 
como aeronaves de asas fixas e aeronaves de asas rotativas, e no grupo das aeronaves mais leves 
que o ar temos os dirigíveis remotamente pilotados. 
 
 
 
2.2.1 Asas Fixas 
 
 
Os Aviões ou Aeronaves de Asas Fixas tem sua sustentação de voo por reações 
aerodinâmicas que acontecem quando o ar passa em determinada velocidade pelas suas asas. A 
principal característica dessas aeronaves é a necessidade de um longo trecho em terra que é 
preciso para o avião alcançar uma determinada velocidade para poder decolar. Elas também 
possuem maior envergadura por conta das asas que às sustentam. Essas características 
proporcionam voos longos, mais velozes e de longa duração. 
As RPAs de Asas Fixas são principalmente usadas em aplicações militares onde voando 
em alta velocidade e altitude dificultam seu abate e detecção em terreno inimigo. Em uso civil 
são usados quando grandes áreas precisam serem analisadas. Geralmente essas aeronaves usam 
sensores mais eficazes, consequentemente mais caros para obtenção de dados nessas condições 
de voo. 
 
 
26 
 
2.2.2 Asas Rotativas 
 
 
As aeronaves de Asas Rotativas, conhecidas como helicópteros, são propulsionadas e 
sustentadas em voo por um ou mais rotores. O Rotor incorpora articulações que proporcionam 
o movimento das pás (Asas Rotativas) em seu eixo, e também a força necessária para 
impulsionar e sustentar a aeronave, e com isso ela tem a capacidade de decolar e pousar 
verticalmente, pairar sobre o ar, voar para frente, para trás e lateralmente. 
Pelo fácil controle e ampla aplicações, as RPAs de Asas Rotativas, ou multirotores, se 
popularizaram nos últimos tempos, surgiram vários modelos com diferentes quantidades e 
posicionamento dos rotores. Nesse projeto será desenvolvido um quadrotor que pode 
proporcionar um voo estável e carregar uma carga (sensores) considerável. 
 
 
2.2.3 Dirigíveis 
 
 
Os dirigíveis são aeronaves mais leves que o ar e que podem ter sua direção e velocidade 
controladas, sua sustentação se dá através de um grande compartimento preenchido com um 
gás menos denso que o ar atmosférico. Atualmente o gás utilizado é geralmente o hélio, 
antigamente o hidrogênio foi muito utilizado, mas seu uso foi abandonado devido ao risco de 
incêndio. 
A baixa capacidade de manobra e suas grandes dimensões pode ser um dos motivos pela 
baixa popularidade deste tipo de aeronaves na categoria das RPAs. O maior interesse está no 
uso militar, ou em casos onde se precisa monitorar regiões de grande extensão, isso por conta 
do seu baixo custo operacional e autonomia. É o que aponta Burlamaqui Filho (2010) que 
desenvolveu em sua dissertação de mestrado um estudo sobre as tecnologias fundamentais para 
realização de voos autônomos com dirigíveis, nela ele motiva seu estudo na necessidade do 
monitoramento de extensas áreas no Brasil que é um desafio atual para as forças armadas e 
polícia federal país, as duas instituições são responsáveis por 14.691 quilômetros de fronteiras 
terrestres. 
 
 
27 
 
2.3 FUNCIONAMENTO DE UMA RPA DE ASA ROTATIVA 
 
 
Os principais elementos necessários para o funcionamento de uma RPA, mais 
especificamente de uma aeronave de asa rotativa do tipo quadrotor, são os atuadores, sensores 
e controladores. Os atuadores são os rotores que dão a propulsão e executam os movimentos da 
RPA, eles sempre esperam comandos de uma placa controladora. Essa por sua vez recebe dados 
de sensores, ou de algum tipo de comunicação, e os transforma em comandos para os atuadores. 
Os sensores conseguem ter uma percepção do ambiente através de estímulos físicos, 
dessa forma obtém dados importantes para o controle de um multirotor.A Figura 12 ilustra um 
diagrama esquemático dos dispositivos necessários para a construção de um quadrotor. 
Figura 12: Diagrama esquemático dos dispositivos de um quadrotor 
 
Fonte: Adaptado de (MELO, 2010). 
 
Como se pode ver na Figura 12, em um quadrotor os atuadores são os quatros motores 
indicados por M, e cada um é controlado por um controlador secundário, os ESCs (da sigla em 
inglês, Eletronic Speed Control) que serão tratados adiante. Esses são ligados diretamente à 
placa micro controladora que é a controladora central do sistema, essa placa está conectada a 
uma placa de sensores e um receptor de rádio responsável pela comunicação, seguindo o 
diagrama apresentado. 
28 
 
Os multirotores podem assumir várias configurações de disposição e complexidade dos 
seus rotores. Na Figura 13 podemos ver alguns dos diferentes formatos conhecidos, note que 
conforme ilustrado, cada motor tem uma rotação específica de forma que um sempre gira no 
sentido contrário ao do seu antecessor. Segundo Nascimento (2011), isso deve ser feito para 
que se tenha a estabilidade durante o voo, caso contrário seria criado um torque ocasionando 
perda de estabilidade. Nesse trabalho foi construído um quadrotor com os rotores dispostos em 
formato de ‘X’ pois aparentemente esta configuração é mais vantajosa na execução dos 
movimentos do que o modelo “+ ou cruz” de quatro rotores. 
Figura 13: Diferentes tipos de montagem de um multirotor 
 
Fonte: DJI Wiki1. 
 
O controle e movimento do multirotor está associado às diferentes combinações de 
velocidades de rotação aplicadas aos rotores. Os movimentos são realizados através dos 
seguintes comandos: Throttle (aceleração) que é o movimento de translação no eixo Z, yaw 
(guinada) é o movimento de rotação no eixo Z, roll (Rolagem) movimento de rotação no eixo 
X, e o pitch (Arfangem) é o movimento de rotação no eixo Y. A Figura 14 ilustra os comandos 
e seu movimento nos respectivos eixos. 
 
1 Disponível em: <http://wiki.dji.com/en/index.php/A2_Mixer_Type_Supported>. Acesso em: 2 de agosto de 
2016. 
29 
 
Figura 14: Comandos de controle em cada eixo de um quadrotor 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
 
No comando Throttle o papel da controladora central é de aumentar ou diminuir 
velocidade de rotação dos rotores simultaneamente, e com a mesma intensidade para que a 
aeronave suba e desça respectivamente. Para que a aeronave faça o giro – comando de yall – os 
rotores que giram no mesmo sentido do giro (sentido horário ou anti-horário) tem sua 
velocidade aumentada. 
Para os movimentos de deslocamento horizontal, – comando de pitch – para se deslocar 
para frente, a velocidade dos rotores dianteiros é diminuída e proporcionalmente aumentada 
para os traseiros, e vice-versa para o deslocamento para trás, assim se dá a rotação no eixo Y, 
onde uma pequena inclinação permite o deslocamento do multirotor para o sentido oposto ao 
da inclinação. O mesmo acontece para os movimentos laterais, onde o comando Roll faz com 
que a aeronave se incline para a direita ou esquerda, rotacionando o eixo X. 
Sabendo-se disso é possível perceber a vantagem da configuração quadrotor X em 
relação ao quadrotor I, afinal nessa última configuração dois rotores são responsáveis pelos 
movimentos de Pich e Roll, enquanto os outros dois se mantem neutros. Já no quadrotor I, os 
quatro motores agem para realizar as rotações (veja na Figura 15). 
 
30 
 
Figura 15: Comando de Pich em quadrotores, onde ∆v é a variação de velocidade somada aos rotores dianteiros 
e subtraída dos traseiros. 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
 
 
2.3.1 Estrutura 
 
 
A construção de um multirotor se inicia com uma estrutura inicial (também chamado de 
frame) onde são fixados todos os sensores, controladores e atuadores. A estrutura é composta 
basicamente pelos braços de suporte dos rotores e um suporte central onde são fixados os 
demais dispositivos. 
A estrutura da aeronave deve ser simétrica, resistente e leve, essas características são 
necessárias para um voo mais estável independente da capacidade da controladora de 
estabilização. Deve ser resistente às perturbações externas como vento ou impactos com 
objetos. O peso está diretamente relacionado com a autonomia de voo, então deve ser o mais 
leve possível para uma maior autonomia. 
 
 
2.3.2 Motores 
 
 
Os motores são dispositivos que convertem energia, de diferentes tipos, em energia 
mecânica, na forma de força motriz para realização de algum trabalho (HALLIDAY, 
RESNICK, WALKER, 2009). Desta forma, a força é usada para movimentar as hélices dando 
sustentação e propulsão à aeronave. 
31 
 
A força de sustentação e propulsão é dividida entre os motores, por esse motivo quanto 
maior a quantidade de motores, maior a capacidade de portar cargas maiores e mais pesadas e 
consequentemente maior é consumo de energia. Neste trabalho quatro motores são utilizados, 
pois não é preciso carregar grandes volumes de carga. 
Existem dois tipos de motores de corrente continua, os brushed e os brushless que são 
ilustrados na Figura 16. Nos motores escovados brushed, a corrente é transferida 
mecanicamente para o rotor através de escovas metálicas, que alternando o sentido do campo 
magnético fazem com que o rotor continue a rodar. Já os motores brushless são motores sem 
escova, isso é, eles não possuem contato físico entre suas partes (rotor e estator), o rotor é 
composto de imãs permanentemente polarizados e o estator é composto por bobinas que são 
magnetizadas eletronicamente produzindo o campo magnético responsável pelo movimento 
(VIEIRA, 2011). 
Figura 16: Funcionamento dos motores brushed e brushless 
 
Fonte: Think RC1 
 
Por não possuir escovas, os motores brushless possuem muitas vantagens em relação 
aos motores escovados: Menor tamanho e peso; longa vida operacional; maior resistência 
térmica; baixo ruído; e baixo consumo de energia, mesmo proporcionando uma inercia baixa, 
alto torque e alta rotação. Em contrapartida esses motores são alimentados por corrente 
alternada (CA) e é preciso de um circuito eletrônico para gerar um sinal trifásico (ALVES, 
2012). 
A velocidade do motor é dada pela quantidade de rotações por minutos (RPM) para cada 
volt (V) aplicado, denominado de Kv. Um motor dito ser de 800Kv implica que ele terá 800 
RPM a cada volt aplicado. 
 
1 Disponível em: <http://www.thinkrc.com/faq/brushless-motors.php> Acesso em: 8 de agosto de 2016. 
32 
 
𝐾𝑣 = 𝑅𝑃𝑀 𝑉⁄ 
Os motores com velocidades menores geralmente possuem maior torque, isso resulta 
em uma maior força de sustentação para o multirotor. Segundo Alves (2012), a soma das forças 
exercida pelos motores deve ser maior que a massa da aeronave para que seja possível alcançar 
o voo, na física essa força é chamada de impulso e é medida através da variação de 
deslocamento causado por uma força durante um intervalo de tempo (HALLIDAY, 2019). Para 
que o quadrotor alcance o voo, ou seja a força exercida pelos rotores vença sua força peso, é 
necessário que cada um dos quatro motores possa impulsionar: 
𝐼 > 𝑚 4⁄ 
A massa que cada motor pode impulsionar (I) deve ser maior que a massa (m) total do 
quadrotor dividido por quatro. Exemplo, o impulso necessário para se alcançar o voo em uma 
aeronave de 1Kg (quilograma) deve ser maior que 250g. 
 
 
2.3.3 ESC (Eletronic Speed Controller) 
 
 
Os controladores eletrônicos de velocidade, conhecidos pela sigla ESC, que vem do 
inglês Eletronic Speed Controller, são dispositivos necessários para controlar os motores 
Brushless. Como o nomesugere, são dispositivos utilizados para controlar a velocidade de giro 
dos motores e também fornece alimentação correta a esses, visto que são trifásicos e necessitam 
de um circuito de potência que contenha inversores1, sensores e circuitos capazes de controlar 
os acionamentos (DEMOLINAR, 2016). 
Os ESCs são capazes de controlar motores Brushless variando a frequência e amplitude 
do sinal de saída. Através de um sinal de entrada gera um sinal trifásico de saída através de uma 
modulação de largura de impulso (Pulse Width Modulation – PWM), isso é feito por um 
conjunto de instruções programadas diretamente no hardware do dispositivo (firmware). 
 
 
1 Dispositivo elétrico ou eletromecânico capaz de converter um sinal elétrico CC (corrente contínua) em um sinal 
elétrico CA (corrente alternada). 
33 
 
Figura 17: Esquema de ESC com entrada de controle PWM e três fases de saída para alimentação do motor 
brushless 
 
Fonte: (NASCIMENTO, 2011). 
 
A Figura 17 ilustra o esquema das saídas para a alimentação trifásica do motor, 
representados pelos terminais R, S e T que devem serem ligadas ao motor. Na parte inferior do 
esquema as conexões + e – são terminais de entrada de alimentação (bateria) que é convertido 
em entrada para os motores. VCC e GND são terminais de alimentação do circuito interno, 
geralmente recebe a tensão de 5V. O terminal denominado de “sinal” é a entrada do sinal de 
controle do ESC. 
Em algumas configurações os terminais de entrada VCC e GND se tornam saídas de 
alimentação para outros dispositivos que trabalham na potência de 5V. Essa configuração é 
chamada de BEC (Batery Eliminator Circuit), pois elimina a necessidade de uma fonte de 
alimentação extra para o circuito interno. 
O sinal de controle PWM, é um sinal que alterna de nível logico variando a tensão em 
períodos de nível baixo e alto. O tempo que cada pulso permanece em alta chama-se “duty 
cycle” (veja na Figura 18), e quanto maior for esse tempo maior será a tensão fornecida para o 
motor, aumentando sua velocidade. O período pode variar dependendo de fabricante, sendo que 
valores tópicos são 8 KHz e 16 KHz. 
34 
 
Figura 18: Sinal PWM 
 
Fonte: (CORRÁ JUNIOR; SILVA, 2014). 
 
 
2.3.4 Hélices 
 
 
As hélices convertem a energia mecânica fornecida pelo motor em movimento de 
propulsão do multirotor (ALVES, 2014), trabalham sob condições severas onde atuam o torque 
e força de arrasto e ainda sofrem acelerações e desacelerações rápidas para manter a estabilidade 
do voo (DEMOLINARI, 2016) e por esses motivos são construídas a partir de materiais 
resistentes como: nylon, alumínio, fibra de carbono e etc. As hélices ocupam uma posição na 
estrutura que pode facilmente sofrer danos em choques com um obstáculo. Em outros projetos 
ou na maioria dos RPAs comercializados, como o AR.Drone1, usa-se um protetor de hélices 
para que danos não ocorram, porém, os protetores causam perda de desempenho afinal é um 
peso extra para a sustentação da aeronave. 
Além do material de fabricação, outra especificação das hélices é seu tamanho, dado 
por dois parâmetros. O primeiro é o diâmetro do círculo formado quando a hélice gira e o 
segundo é o passo que é a distância que a hélice percorre quando completa uma volta no espaço, 
os dois medidos em polegadas. O valor do passo é determinado em condições especiais de teste 
e não corresponde a um valor exato podendo variar de acordo com as configurações de cada 
multirotor. 
 
1 AR.Drone é um modelo de RPA construído pela empresa francesa Parrot. 
35 
 
Os fabricantes também especificam o sentido de rotação da hélice, CW (do inglês, Clock 
Wise) é quando ela gira no sentido relógio e CCW (do inglês, Conter Clock Wise), quando gira 
em sentido contrário ao relógio (CORRÁ JUNIOR; SILVA, 2014). 
 
 
2.3.5 Bateria 
 
 
Para que uma RPA possa ter uma autonomia de voo considerável e cumprir com as 
aplicações mais duradouras, ou com deslocamentos maiores, é preciso usar baterias que possam 
armazenar grande quantidade de energia e fornecer alta corrente. 
As baterias se destacam entre os componentes que mais avançaram possibilitando o 
surgimento dos multirotores atuais (DEMOLINARI,2016). Usando processos de fabricação 
mais modernos, e melhores técnicas de polimerização microscópica, foi possível criar o que 
hoje se conhece como bateria de LiPo (Lítio-Polímero) (SCROSATI; VICENT, 1997). Esses 
tipos de baterias oferecem vantagem em relação ao peso, taxa de descarga e capacidade, se 
comparada com outros tipos existentes. 
Uma bateria LiPo é composta por uma ou mais células, especificadas por S, que ligadas 
em série resultam na tensão final, que é a soma das tensões das células. Cada célula pode chegar 
a 4,2V quando totalmente carregada, mas opera na tensão nominal de 3,7 V. As células não 
devem chegar a uma tensão inferior a 3V, pois isso comprometeria seu funcionamento 
tornando-as inutilizáveis, com isso é preciso de carregadores específicos para que todas as 
células sejam carregadas (balanceadas) igualmente garantindo que durante seu uso uma das 
células não seja descarregada primeira das outras. Esses carregadores são necessários para ter 
uma maior segurança na hora de carregar a bateria, controlando a temperatura e taxa de carga, 
em caso de uso de carregadores não específicos para esse tipo de bateria ela pode ser 
permanentemente danificada ou até mesmo explodir. 
Outra característica do funcionamento das baterias é a capacidade de carga, taxa de 
carga e descarga. A carga mede a quantidade de energia armazenadas nas células, medida pela 
unidade ampere-hora (Ah), que pode ser entendido como a corrente que a bateria pode fornecer 
durante uma hora. A taxa de descarga, mede quanto de corrente a bateria é capaz de fornecer e 
é tratada pelos fabricantes pela designação C, um valor numérico que multiplica o valor da 
carga fornecida pela bateria (NASCIMENTO, 2011). De maneira semelhante acontece com a 
36 
 
taxa de carga, onde um valor para C maior permite que a bateria seja carregada mais 
rapidamente. 
 
 
2.3.6 Comunicação 
 
 
Pelo motivo de se operar remotamente, os enlaces de comunicação são parte essencial 
da operação de uma RPA. Alguns tipos de enlaces são empregados como o enlace de pilotagem, 
de telemetria e enlace da carga útil. 
Segundo o DECEA (2015), o enlace de pilotagem é o enlace entre a RPA e a estação de 
pilotagem remota, para a condução do voo. Para que a aeronave seja pilotada por um piloto 
remoto, ou receba comandos de controle de uma RPAS, utiliza-se um enlace de rádio frequência 
(RF) do tipo FM (Frequence Modulation) composto por um rádio transmissor e um rádio 
receptor operando a frequência de 72MHz ou 2,4GHz, faixas de frequências liberadas para este 
fim (MELO, 2010). Os Rádios Controles (RC), dispositivo de controle utilizados para operar 
este enlace é apresentado na subseção 3.6.1. 
Em projetos de RPAs também são utilizados enlaces de RF para obtenção de medições 
de sensores e outros dados de interesse do operador ou desenvolvedor de RPAS, chamado de 
enlace de telemetria. Também existem os enlaces da carga útil que transmitem dados de 
equipamentos utilizados no cumprimento do objetivo da RPA em sua aplicação, geralmente são 
câmeras e sensores que coletam dados para serem analisados posteriormente ou em alguns casos 
em tempo real (DECEA, 2015). 
 
 
2.3.6.1 Radio Controle 
 
 
O rádio controle é composto de chaves de posição e alavancas de controles chamados 
de sticks, cada um deles geralmente são ligados a um canal da frequência operada. A Figura 19 
ilustraas posições típicas e comandos de controles dos sticks em rádios controles. 
 
37 
 
Figura 19: Funcionamento dos Stick 
 
Fonte: (MELO, 2010). 
 
Como esses rádios são mais popularmente usados em controle de aeromodelos que 
imitam aeronaves de asas fixas, os comandos geralmente são identificados por qual componente 
do aeromodelo é controlado, sendo assim yaw é o controle de leme (rudder), pitch é o controle 
do elevador (elevator), roll é o controle de barbatana (aileron) e o controle de motor também é 
identificado por trhottle, os movimentos realizados pelos comados são equivalentes 
multirotores. 
Os comandos do rádio são enviados para o receptor serialmente a cada 20ms, e 
modulados por posição de pulso (Pulse Position Modelation – PPM) (RYAN, 2002). Nesse tipo 
de modulação a posição do stick é representado por um pulso de nível baixo de 0,3ms em um 
instante entre 1 a 2ms, a posição deste nível baixo no instante indica onde o stick está 
posicionado (veja a Figura 20). Os sinais dos canais do Rádio Controle são enviados em 
sequência, e o sinal mantido em nível logico alto até completar o pulso de 20ms indicando seu 
fim com um nível baixo de 0,3ms. 
 
38 
 
Figura 20: Posição em que se encontra o nível baixo de 0,3ms em um instante de 2ms do pulso PPM 
 
Fonte: (MELO, 2010). 
 
 
2.3.7 Sensores 
 
 
Para que a placa controladora de voo possa receber comandos de controles e executar 
movimentos ou simplesmente pairar sobre o ar é extremamente importante que ela receba 
informações do estado atual da aeronave, só assim poderá executar movimentos da maneira 
desejada pelo piloto remoto e manter a estabilidade do voo. Nos multirotores são necessários 
sensores como o barômetro, acelerômetro e giroscópio para a estabilização do voo e 
sincronização dos rotores. Também é comum o uso de sensores geolocalizadores como o GPS 
e o magnetômetro, usados para dar uma maior precisão na estabilização. Com o GPS é possível 
ter outras funcionalidades interessantes como o failsafe, que permite com que a RPA retorne 
para a posição de partida em caso de perca de sinal de controle, ou também paga guiar a 
aeronave em voo autônomo, por exemplo. 
Dependendo da aplicação outros sensores podem ser utilizados para aquisição de dados 
ou para dar suporte em uma operação. Um deles são os sonares, capazes de detectar obstáculos 
e objetos, inclusive os obstáculos transparentes como água e vidro. As câmeras são outros tipos 
de sensores que são utilizados na maioria das aplicações. 
 
 
 
 
39 
 
2.3.7.1 Altímetro 
 
 
O Altímetro é um dispositivo capaz de medir a altitude, utilizando um barômetro para 
registrar as alterações da pressão atmosférica que acompanham a variação de altitude, assim 
medindo a variação de pressão, chega-se à altitude. 
Nas aeronaves tripuladas esse é um instrumento básico exigido para que sejam 
certificadas. Já nas RPAs o altímetro serve para ajudar na precisão do voo pairado e para que o 
piloto remoto, sabendo dos dados do sensor, não corra o risco de chocar a aeronave contra um 
obstáculo que seja alto. 
 
 
2.3.7.2 Giroscópio 
 
 
O giroscópio é um sensor que mede a manutenção da orientação, baseados nos 
princípios de momento angular, ou seja, mede a quantidade de movimento angular associado a 
rotação e translação de um corpo. 
Mecanicamente o giroscópio é uma roda giratória ou disco, cujo o eixo é livre para 
tomar qualquer orientação (veja na Figura 21). Consiste essencialmente em uma roda, ou várias 
rodas, livre para girar em qualquer direção se opondo a qualquer tentativa de mudar sua direção 
original. Seu funcionamento é baseado no princípio da inércia e tem um efeito de memória que 
guarda a direção fixa em relação ao círculo máximo. Com este dispositivo mecânico foi possível 
uma navegação marítima mais segura e voo tripulados com condições de visibilidade zero. 
40 
 
Figura 21: Giroscópio mecânico 
 
Fonte: Wikipedia1 
 
A eletrônica tratou-se de evoluir os giroscópios para dispositivos MEMS (Micro Eletro 
Mechanical Systems). De acordo com o fabricante STMicroeletronics2, os giroscópios do tipo 
mens utilizam propriedades mecânicas em microestruturas dentro dos semicondutores para a 
detecção de movimentos angulares. 
 
 
2.3.7.3 Acelerômetro 
 
 
Um acelerómetro é um dispositivo que mede a variação de velocidade em um dado 
sentido com relação a cada eixo (NASCIMENTO, 2011). Os Acelerômetro Eletromecânico 
(MEMS) possuem sensores que detectam aceleração e vibração em até três dimensões, são os 
mais utilizados por serem mais sensíveis e versáteis (FILHO; NASCIMENTO; RUDIGER, 
2011). 
Esse tipo de sensores se popularizou com seu uso em controles de videogames como o 
Nintendo Wii que possibilitou ao usuário uma interação mais realista com o jogo. Em celulares 
foram inicialmente utilizados para mudar a orientação da tela, que ocorre quando o aparelho é 
girado, e possibilitou o desenvolvimento de diversos aplicativos que usam deste recurso. 
Também são aplicados em notebooks para proteger os discos rígidos de queda e em GPS para 
cálculo de velocidade e ajudar a identificar qual direção que o carro está seguindo no mapa. 
 
 
1 Disponível em: <https://pt.wikipedia.org/wiki/Girosc%C3%B3pio>. Acesso em: 29 de agosto de 2016. 
2 Disponível em: <http://www.st.com/content/st_com/en.html>. Acesso em: 29 de agosto de 2016. 
41 
 
2.3.7.4 Magnetômetro 
 
 
Os magnetrômetros são dispositivos elétricos usados para substituir a bússola comum, 
são capazes de medir a intensidade, direção e o sentido do campo magnético em sua 
proximidade ou o do planeta terra, funcionando de maneira semelhante as bússolas. Segundo 
VIEIRA (2011), impulsionado pelo desenvolvimento tecnológico, esses sensores evoluíram se 
tornando mais precisos, pequenos e consumindo pouca energia. 
Na construção de uma RPA é importante que esse sensor esteja afastado de possíveis 
campos eletromagnéticos como o gerado pelos motores, também é preciso que se voe em 
lugares que não possa causar interferência magnética no sensor caso contrário seu controle pode 
ser prejudicado. 
 
 
2.3.7.5 GPS 
 
 
O sistema de posicionamento global, conhecido pela sigla GPS (do inglês, Global 
Positioning System) é um sistema de posicionamento global por satélite, que fornece à um 
dispositivo móvel sua localização geográfica, latitude e longitude em qualquer lugar e em tempo 
real. O sistema foi desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos da América, 
originalmente para fins militares e liberado para uso civil em 1977. Atualmente existem vários 
outros sistemas de posicionamento por satélite como o GLONASS, um sistema russo, 
GALILEU da União Europeia. Esses sistemas e o GPS Americano estão integrados no GNSS, 
um sistema que visa a disponibilidade para todas as regiões do globo terrestre com integridade 
e segurança aos usuários (BARROS. et al., 2013). 
A definição da posição de um receptor GPS é feita através da técnica conhecida como 
triangulação, onde o receptor estima sua localização com base no tempo de recepção de sinais 
transmitidos por pelo menos três satélites. 
Como a posição é definido através da diferença entre os tempos de recepção dos sinais 
de satélites e os sinais de rádio que trafegam na velocidade da luz, qualquer atraso resultaria em 
erros de vários quilômetros, por esse motivo é preciso se atentar com possíveis interferências 
ao usar o dispositivo, como por exemplo os eventos solares (explosões solares, ejeções coronais 
de massa, entre outros) (SALOMINI, 2008). 
42 
 
O GPS serve para ajudar na estabilizaçãoda RPA em voos pairados onde a posição da 
aeronave deve ficar fixa, praticamente sem movimentos no ar. O GPS também pode ser 
utilizado em diversas aplicações, onde a aeronave pode ser orientada através deste dispositivo 
em um voo programado ou ajudar o piloto remoto no controle a distância. 
 
 
2.3.8 Placa controladora de voo 
 
 
Segundo Neris (2001), as RPAs têm como componente principal um sistema de controle 
capaz de manter a aeronave estabilizada e de executar manobras que a conduza através de uma 
rota e missão selecionada. Esse sistema é denominado controladora de voo e integra todos os 
outros dispositivos já vistos. 
 
 
43 
 
3 DESENVOLVIMENTO 
 
 
Como visto um Sistema de Aeronave Remotamente Pilotadas consiste em todos os 
elementos envolvidos no projeto da RPA, a aeronave remotamente pilotada, sua estação de 
pilotagem remota, o enlace de pilotagem e qualquer outro componente do sistema (DECEA, 
2015). Desta forma esse trabalho desenvolve um projeto de RPAS por completo, desde a 
construção de uma RPA (um quadrotor), configuração do enlace de controle (radio controle) e 
implementação da uma estação de pilotagem remota. 
 
 
3.1 DISPOSITIVOS UTILIZADOS 
 
 
Para este trabalho foi utilizado como base inicial, o Flame Wheel F450 (Figura 22) 
fabricado pela DJI1, que é uma estrutura de configuração quadrotor X. O suporte central do 
frame F450 é composto por uma placa de circuito impresso (PCB), que além de fixar os braços 
e demais componentes, faz a ligação elétrica entre eles. Os braços são construídos a partir de 
PA66 + 30GF, material que segundo o fabricante, proporciona uma maior resistência a choques 
(DJI Wiki, 2016). 
Tabela 2: Especificações do Flame Wheel F450 
Peso 282 g 
Distância entre os eixos 
na diagonal 
450 mm 
Motor recomendado 2212 ~ 2216(estator). 
 
 
1 Dà-Jiāng Innovations Science and Technology Co., Ltd (DJI), é uma companhia Chinesa líder em fabricação 
de RPAs para fotografias e filmagem sediada em Shenzhen, Guangdong. 
44 
 
Figura 22: Flame Wheel F450 
 
Fonte: DJI1 
 
Também foi utilizado o trem de pouso (Ilustrado na Figura 23) desenvolvido pela DJI 
para o Flame Wheel F450. 
Figura 23: Trem de pouso que será fixado na parte inferior do quadrotor 
 
Fonte: DJI2 
 
Tabela 3: Especificações do trem de pouso 
Peso 15g 
Altura 130 mm 
 
1 Disponível em: <http://www.dji.com/flame-wheel-arf/feature>. Acesso em: 24 de fevereiro de 2017. 
2 Disponível em: <http://www.dji.com/landing-gear-for-flame-wheel>. Acesso em 16 de março de 2017. 
45 
 
3.1.1 Motores utilizados 
 
 
Seguindo recomendação do manual do Flame Wheel F450 o motor deve possuir um 
estator de tamanho de 22x12mm (DJI, 2015), desta forma os motores utilizados são os X2212 
fabricados pela Sunnysky, que possui uma velocidade de rotação de 980Kv, valor próximo aos 
920Kv também recomendado pelo manual. As principais características analisadas são 
apresentadas na Tabela 4. 
 
Tabela 4: Principais características do motor utilizado na construção do quadrotor 
Diâmetro do estator 22mm 
Espessura do estator 12mm 
Velocidade de rotação 980Kv 
Tensão de Alimentação 7,4V~14,8V 
Número de células 
(alimentação) 
2-4S 
Corrente máxima continua 15A 
Potência máxima continua 300W 
Peso 58.5g 
ESC recomendado 20A 
Hélices recomendadas APC8038 
APC9047 
APC1047 
GWS8043 
APC8038 
 
Para a escolha do motor também foi analisado sua capacidade de impulsão que depende 
das configurações de bateria e hélices que são discutidas nas próximas seções. 
 
 
3.1.2 ESCs utilizados 
 
 
Levando em consideração as configurações do motor e recomendações do manual do 
frame DJI, o ESC usado opera com a corrente de 30 Amperes (A). Com essa especificação o 
ESC consegue suprir com folga a corrente máxima do motor, de 15A. 
46 
 
Outro aspecto importante a se observar na escolha do ESC segundo DEMOLINARI 
(2016), é a qualidade da execução do PWM de saída, ou seja, o quanto os seus inversores são 
precisos em realizar o que será solicitado pela controladora. Resumidamente, é a taxa de 
resposta em executar os comandos recebidos. Para se alcançar uma boa taxa de resposta será 
usado o SimonK, um firmware de código aberto que está sendo continuamente aperfeiçoado e 
atualizado. 
O ESC utilizado será o Simon Series fabricado pela EMAX. Suas principais 
características são apresentadas na Tabela 5. 
Tabela 5: Especificações dos ESCs utilizado no quadrotor 
Tensão de Alimentação 7,4V~11,1V 
Número de células 
(alimentação) 
2-3S 
Corrente Máxima 40A 
Largura 52 mm 
Espessura 26 mm 
Altura 7 mm 
Peso 28 g 
Frequência de controle 8 KHz/ 22KHz 
 
 
3.1.3 Hélices utilizadas 
 
 
A escolha das hélices está diretamente relacionada com as especificações do motor, 
desta forma o fabricante do motor apresenta uma tabela da eficiência entres as hélices 
recomendadas para o modelo de motor (SUNNYSKY, n.d.). A Figura 24 ilustra a relação entre 
a potência e o peso de propulsão a partir dos dados abstraídos. Foi considerado uma tensão 
aplicada de 11.1V. 
47 
 
Figura 24: Gráfico de eficiência (g/watts) do motor Sunnysky X2212 
 
Fonte: Elaborado pelo autor a partir de (SUNNYSKY, n.d.). 
 
Vemos uma leve vantagem da hélice APC1047, que possui 10 polegadas de diâmetro e 
4,7 polegadas de passo. Sua linha no gráfico, margeia as demais na maioria das vezes, o que 
indica que é capaz de propulsionar maior peso com menor potência, resultando em um menor 
consumo. Essa hélice pode fornecer uma potência de 166,65 W por motor: 
𝑃 = 𝐴 ∗ 𝐼 
𝑃 = 15𝐴 ∗ 11,11𝑉 
𝑃 = 166,65 𝑊 
Seja A a corrente de consumo máxima do motor e I a tensão nominal da bateria, temos 
a potência P de cada motor. Observando dados de SUNNYSKY (n.d.), temos um impulso de 
máximo de 910g por motor com seguindo as especificações dos dispositivos escolhidos. Para 
um quadrotor esse valor deve ser multiplicado por 4, totalizando 3640g (910 ∗ 4) de massa 
que pode ser impulsionada pelos rotores. 
 
 
3.1.4 Bateria utilizada 
 
 
Como visto as baterias LiPo oferecem as características necessárias para a construção 
de uma RPA: alta corrente necessária para os motores utilizados; alta capacidade de carga para 
voos mais longos; e um menor peso em relação a capacidade de carga. 
48 
 
Para a escolha da bateria é importante analisar a corrente consumida pelos motores, visto 
que cada motor tem uma corrente máxima de 15A, o conjunto dos quatro motores pode chegar 
a um consumo máximo de 60 A (4 x 15A), com isso a bateria deve fornecer no mínimo uma 
corrente equivalente a este valor. Quanto maior a capacidade da bateria, maior será a autonomia 
do quadrotor, porém as baterias com mais carga são mais pesadas, sendo preciso analisar o peso 
suportado pelos motores. 
A bateria utilizada está ilustrada na Figura 25 e possui as especificações apresentadas 
na Tabela 6. 
Tabela 6: Especificações da bateria utilizada no quadrotor 
Quantidade de células 3S 
Tensão nominal 11,11 V 
Taxa de descarga 30 C 
Taxa de carga 2 C 
Capacidade 5Ah 
Peso 408g 
 
Figura 25: ZIPPY Flightmax 
 
Fonte: HOBBYKING1. 
 
Com essas configurações é possível ter no mínimo 5 minutos de autonomia de voo. 
Levando em conta que cada motor consome no máximo 15A de corrente, totalizando 60A para 
os quatros, com isso devemos dividir a capacidade da bateria pelo total de corrente consumida 
que nos resulta no tempo de voo em horas e para transformar em minutos basta multiplicar