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FPV em modelismo

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É engraçado como as pessoas, coisas e ideias notáveis ressurgem de tempos em tempos. Nos dias em que escrevo isto, a Gretchen virou hit na Internet; ela tem visitado a ribalta de forma espaçada, mas sem falhar, desde o fim dos anos 1970. Os veneráveis jogos dos anos 1980 também ressurgiram na forma de jogos para celular, e certamente ressurgirão em alguma mídia nova no futuro.

E a tecnologia de TV analógica também ganhou uma sobrevida, na forma do FPV: First-Person View. No contexto de modelismo, FPV é pilotar um drone ou outro controle remoto com a sensação de estar "dentro" do modelo, com o auxílio de óculos de realidade virtual (VR) e uma câmera instalada no modelo.

O FPV abriu uma perspectiva completamente nova para o modelismo. Além de divertido, permite controlar o modelo muito além do alcance da visão. O YouTube tem vídeos impressionantes de drones e aviões passeando acima das nuvens, ou voando entre obstáculos. (O que acabou despertando a atenção das autoridades de tráfego aéreo, levando a limitações draconianas no uso de drones, afinal o governo odeia gente criativa.)

FPV barato

Uma forma barata de começar a brincar com FPV é usar um sistema baseado em Wi-Fi. Geralmente o receptor é um celular rodando um aplicativo apropriado. A câmera Wi-Fi vem embutida em alguns drones. Se não, pode-se usar um modelo de GoPro (ou similar) com recurso de transmissão Wi-Fi. O próprio DVR (gravação do vídeo FPV) fica mais fácil. Há óculos de realidade virtual específicos para embutir celulares, com lentes mas sem eletrônica.

Vídeo via Wi-Fi tem duas desvantagens importantes: o alcance é pequeno e costuma haver latência (atraso) no vídeo. O protocolo de rede Wi-Fi não foi concebido para vídeo de baixa latência. A recepção é "barata" apenas porque emprega um celular, que presume-se que todo mundo já tem.

Por estas razões, FPV via Wi-Fi não é considerado FPV "de verdade".

FPV de verdade

Para fazer FPV a sério, você precisa de alguns equipamentos dedicados. No total são cinco módulos:

No presente momento, FPV é comumente transmitido em 5.8GHz e modulação analógica. O preço de cada módulo é relativamente barato, mas o kit completo vai custar um pouquinho.

No lado transmissor, há a opção de comprar uma câmera com transmissor embutido, ou módulos separados. A opção "tudo em um" é mais barata e pode ser mais leve (importante no caso de drones pequenos), mas no geral comprar módulos discretos é melhor pois permite fazer upgrades separados. E pode-se instalar cada módulo no lugar ideal, levando em conta campo de visão, distribuição de peso, melhor posição para a antena, mitigar danos em caso de quedas e batidas, etc.

Figura 1: Câmera com transmissor embutido, infelizmente a antena do topo já quebrou, mas ainda transmite a curta distância para fins de teste.

A antena da minha câmera com TX, eu quebrei no primeiro passeio que fiz com o carrinho, justamente porque não havia como instalar a câmera sem deixar a antena protuberante.

A outra vantagem de usar componentes discretos é poder fazer testes e mesmo usar os componentes em contextos diferentes de FPV. O sinal da câmera é vídeo composto, aquele mesmo que transmitia a imagem do videocassete para a TV, via aquele cabo RCA amarelo/branco/vermelho. Você pode conectar uma câmera FPV à TV ou a qualquer aparelho que tenha entrada de vídeo composto (tomada RCA amarela). Algumas câmeras FPV vêm até com o cabo pronto. Se não, você pode fabricar um, aproveitando e.g. o cabo RCA que vem com o receptor de TV a cabo mas ninguém usa.

Figura 2: Câmera discreta, modelo sem áudio. Este modelo pede 5V, geralmente fornecido pelo transmissor, com ou sem necessidade de redutor de tensão, dependendo do transmissor. A câmera pode possuir 3 ou 4 fios: 2 para alimentação, 1 para vídeo composto e 1 para áudio, se houver.

Um grande aborrecimento dos componentes de transmissão é a questão dos cabos e conectores. Cada módulo parece adotar um padrão diferente, então você vai brigar com plugs e tomadas o tempo todo, e provavelmente terá de soldar/emendar fios.

Outro problema é que, em nome do baixo peso, miniaturização e barateamento, os componentes são muito expostos e têm poucas proteções internas. Qualquer erro de instalação, como alimentação invertida ou voltagem errada, já vai sair fumacinha em algum lugar. Se tocar com alguma coisa metálica, grande é a chance de queimar. E assim por diante. É preciso ter alguma tarimba em eletrônica, ou disposição para aprender.

Por exemplo, o meu transmissor abaixo queimou imediatamente devido a alimentação invertida. O detalhe é que a tomadinha de alimentação é igual à da câmera com transmissor embutido, são inclusive do mesmo fabricante, mas a polaridade é oposta. Fui traído pelo fato da tomadinha ser "compatível"...

Figura 3: Transmissor discreto, sem áudio. O exemplar acima foi queimado por ter ligado a alimentação invertida. Fios e antena devidamente cortados para ao menos aproveitar os conectores.
Figura 4: Transmissor discreto mais câmera, esta última alimentada via redutor de tensão par 5V. Este kit não queimou, felizmente.

No lado receptor, o componente mais caro sempre será a tela. Mas, assim como no caso do Wi-Fi, podemos usar uma tela que todo mundo já tem no bolso: o celular. Neste caso, deve-se adquirir um receptor com saída USB-UVC [1]. Também é preciso um cabo USB-OTG [2] que geralmente vem junto com o receptor. Opcionalmente, um óculos VR sem eletrônica para encaixar o celular. Usar o celular tem inclusive a vantagem de facilitar o DVR.

Figura 5: Receptor conectado ao celular via cabo USB-OTG, recebendo sinal de câmera próxima. Não é necessário alimentação separada.

Mas é meio chato lidar com esse monte de elementos do lado receptor, e apenas celulares Android suportam USB-UVC. Mais prático é o visor VR tudo-em-um, com receptor e tela própria. É mais caro que a opção do celular, mas não é exageradamente caro.

Pessoalmente, adquiri o modelo Eachine EV800, que é bem básico mas funciona, vem com bateria interna e a tela pode inclusive ser destacada do visor VR. Além disso, a lente do visor VR me permite usá-lo sem meus óculos de grau (isto é possível para miopia até 4 graus).

Figura 6: Óculos de realidade virtual com tela e receptor próprios. Modelo Eachine EV800

Se dinheiro não fosse uma consideração, compraria um modelo menor; já existem óculos VR mais parecidos com o Google Glass, acho ridícula a aparência do visor VR comum, mas um dia chegaremos no ponto que os óculos VR baratos também serão bonitos...

Figura 7: Um sistema FPV funcionando de ponta a ponta, exibindo o clássico caleidoscópio da câmera apontando para sua própria imagem na tela. Note a tela do EV800 destacada do visor VR. A câmera com transmissor embutido é alimentada pela bateria através do cabo de carga balanceada.

DVR

A outra metade da graça do FPV é fazer aquele video #top e publicar no YouTube. Ah, o exibicionismo humano... Os recursos de gravação são conhecidos pela sigla DVR (Digital Video Recording).

O DVR pode ser feito de muitas formas. Se você usa um celular como tela do lado receptor, não precisa de mais nada, basta usar um aplicativo com capacidade de gravação de vídeo (como o FPViewer). Mesmo que você possua um visor VR com tela própria, o celular continua sendo uma opção barata para DVR, basta adquirir um receptor USB-UVC. É a solução que eu adoto. A única desvantagem é ter de operar dois equipamentos.

Sem dúvida o ideal é um DVR integrado ao visor VR, que pode ser operado sem tirar os óculos. Mas os modelos capazes de DVR ainda são meio caros.

O DVR feito no lado receptor tem a desvantagem de gravar todas as interferências e defeitos do sinal de vídeo analógico. Subjetivamente isto é até uma vantagem, pois empresta legitimidade ao vídeo. Porém, para seu vídeo ficar #top e #bombar, é legal mostrar os dois pontos de vista: o vídeo de alta definição do lado transmissor, e o vídeo ruidoso do lado receptor. Obviamente isso demanda DVR nos dois lados.

Existem transmissores com DVR embutido; proporcionam a solução mais limpa (nenhum cabo ou módulo adicional é necessário) porém ainda são muito caros. E a qualidade de vídeo é inerentemente limitada pelo sinal analógico de vídeo composto. Pode ser mais fácil e mais barato usar uma segunda câmera, digital, totalmente independente do FPV, apenas para o DVR. Existem modelos minúsculos e muito baratos, praticamente descartáveis. Ou pode-se usar um desses clones de GoPro cuja qualidade é muito boa, se o modelo suportar o peso adicional.

Alimentação do lado transmissor

O transmissor pode ser alimentado pela bateria principal do modelo, ou por uma pequena bateria separada. Alguns drones oferecem até uma tomada específica para alimentar o transmissor, em outros modelos é preciso providenciar e isso envolve graus variáveis de gambiarra.

A câmera também precisa de alimentação, mas geralmente ela é fornecida pelo transmissor. Resta apenas providenciar que sejam compatíveis na voltagem, conforme veremos depois.

Meu foco de RC são os carrinhos. Para estes, a opção mais fácil é usar a tomada de carga balanceada da bateria, o que permite inclusive escolher a tensão. Por exemplo, minha câmera com TX embutido exige uma tensão entre 3.7V e 5V, então uso apenas uma célula da bateria. Sacrifiquei um carregador velho para obter a tomada-fêmea da bateria e fabriquei um cabinho. É claro, a bateria do modelo será descarregada de forma desbalanceada desse jeito, mas é pouca coisa e a conveniência é irresistível.

Figura 8: Cabo fabricado pela emenda do conector da câmera/transmissor a uma tomada-fêmea extraída de um carregador LiPo. A câmera recebe a tensão de apenas uma célula (3,7V)

Supondo que usar o cabo de balanceamento não seja desejável, e/ou o modelista prefira integrar o FPV permamentemente ao sistema elétrico do modelo, pode-se usar um redutor de tensão, que é barato. (Alimentar o transmissor via BEC [3] não é recomendado porque a corrente é muito alta.) Ou então adquirir um transmissor que aceite a tensão da bateria.

Figura 9: Redutor de tensão, fornece 5V à câmera seja qual for a tensão fornecida pelo transmissor ou pela bateria. O cabo branco (sinal de vídeo) passa direto e não é afetado pelo redutor.

Uma grande "pedra no sapato" é a variedade de voltagens dos componentes: 3,7-5V, 5-12V, 7,2-12V, 7,2-22V, apenas 5V, apenas 12V... e a tarefa de achar componentes compatíveis entre si, e com a bateria, torna-se ingrata. Fazendo uma generalização grosseira, os transmissores costumam aceitar uma faixa de voltagem, enquanto as câmeras costumam ser 5V.

Nem sempre os manuais são claros: por exemplo, uma câmera que comprei recentemente alegava aceitar 5-12V, tanto no anúncio quanto no manual, mas na verdade aceita apenas 5V! A maioria dos transmissores tem saída de alimentação para a câmera mas não reduz a voltagem. Aí você conecta os dois e a câmera queima... É necessário plugar um redutor 5V entre os dois componentes. (Felizmente, o redutor é barato.)

No contexto de carrinhos RC com baterias 2S ou 3S, o típico é comprar um transmissor que aceite 7,2-12V, uma câmera 5V (mais barata e fácil de achar) e um redutor 5V para proteger a câmera. Em drones pequenos com bateria de 1S, há modelos de câmera com transmissor embutido que funcionam com apenas 3,7V.

Modulação, faixa e banda

Além da voltagem, a modulação de câmera, transmissor, receptor e tela precisam ser compatíveis. A boa notícia é que dificilmente você vai encontrar problemas de compatibilidade aqui. O sinal da câmera é enviado ao transmissor por um único fio usando modulação analógica. A única opção crítica é entre NTSC e PAL [4] e mesmo assim a maioria dos módulos é compatível com ambos.

No presente momento, FPV é dominado por video analógico modulado em banda estreita. Já existem produtos que usam modulação digital, a tendência futura é virar tudo digital, mas no momento as opções digitais são mais caras, maiores e incompatíveis com produtos de outros fabricantes. Infelizmente, a "digitalização" deve trazer mais problemas de compatibilidade, tal qual acontece com os rádios RC digitais. Mas, no momento, FPV é analógico e com ampla compatibilidade.

FPV usa as faixas de freqüência de uso civil liberado: 433MHz, 900MHz, 2.4GHz, 5.8GHz, etc. São nestas faixas que redes wireless, controles remotos, telefones sem fio, etc. podem operar. Existem produtos FPV para muitas faixas, mas atualmente a faixa de 5.8GHz domina, assim como os rádios RC se concentraram em 2.4GHz.

A faixa de 5.8GHz é dividida em bandas com 8 canais cada. Transmissor e receptor devem operar na mesma banda e canal — mais um problema de interoperabilidade! O número de bandas era 4, já são 9 no momento, o que redunda em 72 canais. Equipamentos mais novos tendem a suportar mais bandas, porém todos suportam as bandas "antigas" e sempre se acha um denominador comum entre equipamentos diversos. Interoperabilidade só vai ser um problema se você faz questão de usar uma banda mais "nova" e.g. para evitar interferência com outros modelistas, aí você tem de verificar se transmissor e receptor têm suporte à banda.

Potência do transmissor

Entre os transmissores com preço acessível, há opções de 25mW a 600mW de potência. Obviamente isso influi no alcance. Mas também influi no consumo de energia, o que pode ser uma questão no caso de drones com bateria pequena.

Os drones levam vantagem sobre modelos terrestres — quanto mais alto o transmissor, mais longe vai o sinal, então um bom alcance pode ser obtido com pouca potência. Um transmissor próximo do chão está condenado a ter pouco alcance, mesmo sem obstáculos (procure por "Zona de Fresnel" para entender os motivos). O jeito é usar a maior potência possível.

Aumentar a potência proporciona ganhos relativamente modestos no alcance, devido a regra do inverso do quadrado. Aumentar a potência em 100 vezes aumenta o alcance em apenas 10 vezes. Trocar um transmissor de 25mW para 600mW aumenta o alcance em apenas 5 vezes. Para aumentar o alcance para valer, é mais negócio trabalhar nas antenas.

Antenas

Antenas são um assunto complexo, praticamente uma "bruxaria", mas são o principal fator de alcance do FPV, principalmente em se tratando de aviões e drones onde um alcance de vários quilômetros pode ser desejável.

A antena influencia muito o alcance devido ao ganho. Uma antena FPV simples, estilo "chifrinho", que se parece com uma antena de Wi-Fi, tem ganho de 2dB. Já uma antena parabólica tem ganho de 24dB. Cada 3dB de ganho significa dobrar o alcance. Trocar a antena "chifrinho" pela parabólica melhora o alcance em 100 vezes. Nada mau. Se fizermos a troca nos dois lados, ganhamos 44dB e melhoramos o alcance em 10.000 vezes!

O "ganho" da antena é uma medida de concentração do sinal. Uma antena de 0dB (que não existe) irradia igualmente em todas as direções. Já uma parabólica concentra toda a energia num cone estreito. Isto nem sempre é bom, porque nem sempre sabemos em que direção apontar a parabólica. Certamente não podemos usar antenas direcionais num transmissor FPV, e uma antena direcional no receptor FPV tem de ser ajustada para apontar na direção correta. Então, aquele ganho potencial de 10.000 vezes no alcance não é tão fácil de realizar.

Ainda assim, trocar as antenas "chifrinho" por tipos melhores é a providência mais efetiva para melhorar o alcance. Alguns óculos VR (não o meu) usam duas antenas, uma de baixo ganho (que tem a vantagem de captar de qualquer direção) e uma de ganho mais alto para captar de mais longe na linha do horizonte.

Para variar, as antenas criam mais um problema de interoperabilidade. Existem diversos conectores de antena: SMA, RP-SMA, macho, fêmea, etc. Na hora de comprar uma antena, verifique bem se o conector é compatível — porque neste caso não dá para emendar fios, qualquer alteração na conexão da antena desfaz a "bruxaria" que garantia seu funcionamento.

Além do ganho, existe a questão da polarização. Antenas comuns possuem polarização vertical ou horizontal. Para um leigo isto significa apenas o seguinte: se a antena do transmissor está na vertical, o receptor também deve estar. Se não, a recepção vai sendo prejudicada, até zerar no pior caso: transmissor vertical e receptor horizontal, ou vice-versa. Isto é um problema principalmente em aviões e drones.

Uma solução seria usar duas antenas no receptor, uma vertical e outra horizontal, de modo que pelo menos uma sempre capta o sinal do transmissor. A solução mais usada em FPV é a antena de polarização circular, facilmente distinguível pelo formato que lembra um mini guarda-chuva ou cogumelo. Basta um dos lados usar uma antena desse tipo, que o sinal será sempre bem recebido.

Se ambos os lados usam antenas de polarização circular, há uma vantagem adicional: o receptor rejeita reflexos do sinal (lembra dos "fantasmas" da TV analógica?). Basta que ambas as antenas sejam "mão esquerda" (sentido anti-horário) ou "mão direita" (horário). O reflexo inverte o sentido da polarização, e a antena ignora qualquer sinal com "mão" errada.

OSD e telemetria

A telemetria — transmissão de dados do modelo para o controle — é outra novidade em modelismo. Em modelismo terrestre, informações como carga da bateria e temperatura do motor são interessantes de se acompanhar em tempo real. Mas sem dúvida que a importância da telemetria é muito maior em aeromodelismo, principalmente quando o modelo está além do campo de visão. Um drone sem bateria que despenca na cabeça de alguém é o pesadelo de todo modelista.

O próximo passo é quase óbvio: OSD (On-Screen Display).. Plotar as informações de telemetria no próprio FPV, no estilo dos capacetes de caças militares, para que toda a informação importante esteja sempre visível ao "piloto".

Naturalmente, o transmissor FPV deve ser capaz de misturar o vídeo analógico com a informação OSD fornecida pelo controlador de voo. Como sempre, isso implica em equipamento específico, mais caro, e a compatibilidade deve ser novamente observada. Como aeromodelismo não é minha praia, e não possuo OSD em nenhum modelo, não posso dar mais informações no momento.

Notas de rodapé

[1] UVC é um padrão USB para dispositivos de vídeo, que assim como teclados e mouses USB, podem ser usados sem a instalação de drivers. Computadores em geral suportam UVC, bem como celulares Android, mas não celulares iOS.

[2] Normalmente um celular é um dispositivo USB "escravo", um papel adequado quando conectado a um computador. O padrão OTG ("on-the-go") permite ao celular ser o "mestre", para conectar-se a dispositivos escravos como teclado, mouse e UVC.

[3] BEC ("battery eliminator circuit") é um redutor de tensão embutido no controlador do motor (ESC) que fornece 5V ao receptor do controle remoto, e aos servos, a partir da bateria principal.

[4] NTSC e PAL são os padrões americano e europeu de TV analógica, respectivamente.

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