VANT de Asa Fixa: você conhece os componentes?

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Conheça detalhadamente os componentes do VANT de Asa Fixa e suas principais características!

Atualmente os Drones/Vants/RPAs tomaram conta do mercado, ouve-se falar deles em todos os lugares, nas mais diversas aplicações e cada um deles com características e designes diferentes, mas o que compõe esses equipamentos? Que componentes mecânicos e eletrônicos atuam para que essas maravilhas da engenharia possam voar? Faremos aqui uma breve apresentação de como os Vants de Asa Fixa funcionam.

VANT Convencional

Os VANTs de formato convencional são semelhantes a aviões de verdade, em escala menor, mas com os mesmos comandos e características de voo.

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ASA

Os VANTS com formato de ASA, tem uma característica de voo muito interessante, pois não é necessário Profundor ou Leme como os convencionais, ele consegue fazer isso somente com dois ailerons através de um processo de mixagem dos comandos. No caso do Batmap os Ailerons fazem o movimento de Roll (Rolagem) – Vira para Esquerda e Direita, Pitch (Arfagem) – Sobe e Desce e Yaw (Guinada) – Voo de lado (crab) para a correção do vento, mantendo assim, a câmera na posição ortogonal evitando fotos inclinadas.

BATMAP

 

Servos

Os servos são os mecanismos responsáveis por fazer os movimentos dos Ailerons (Roll – Rolagem), Leme (Yaw – Guinada) e Profundor (Pitch – Arfagem) da aeronave, numa aeronave convencional o sistema de controle que gera esses movimentos é muito complexo, no caso do Vant é um sistema mais simples, mas que gera o mesmo resultado.

A grosso modo podemos dizer que os servos são nada mais que um conjunto de engrenagens de diferentes tamanhos encaixados de modo que “a  pequena força exercida pelo motor na entrada resulte em uma  grande força na saída – a esta  grande força da saída damos o nome de Torque”. Existem diversos tamanhos e modelos de servos, alguns bem pequenos e outros grandes, com engrenagens de plástico ou metal, leves ou pesados, torques grandes e pequenos.

Por exemplo um servo com 9 gramas de engrenagens de plástico pode gerar um torque de 2,5 Kg, utilizando um mínimo de energia para tal, outros maiores de 69 gramas com engrenagens de metal (Metal Gear) podem gerar toques de 15 Kg.

O servo ideal para o Vant depende muito da escala e peso do equipamento. O Batmap, por exemplo, utiliza dois sevos Metal Gear, pois a confiabilidade desse tipo de servo é maior em relação aos de engrenagem de plástico, o preço é maior para estes servos, mas nada mais justo pois não queremos colocar um equipamento de uso profissional em risco.

 

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ESC

O ESC é o acrônimo de Eletronic Speed Control – Controle Eletrônico de Velocidade, como o próprio nome diz ele é responsável por controlar a velocidade da aeronave, o ESC faz isso através de uma estrutura complexa de capacitores, resistores, entre outros componentes eletrônicos que captam a energia da Bateria e envia ao motor, imprimindo maior velocidade a aeronave.

Junto ao ESC existe um componente eletrônico chamado BEC, que é o acrônimo de Battery Eliminator Circuit – Circuito Eliminador de Bateria, cuja função é diminuir a voltagem da bateria e deixar a saída de energia com 5V, essa saída serve para alimentar o Receptor do Vant, assim não é necessário que se instale uma outra bateria somente para alimentar o receptor.

Para todo o conjunto ESC/BEC funcionar corretamente é necessário uma calibração do sistema, principalmente na parte de aceleração dos comandos do rádio, assim pode-se garantir que ele funcionará corretamente.

 

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Motor, Spinner e Hélices

O motor é o componente que mais consome energia, pois afinal é ele que movimenta toda a estrutura. Os motores são divididos em duas categorias, Inrunner e Outrunner.

Inrunner: O corpo do motor é fixo e somente o eixo gira. Esse é o tipo de movimento que naturalmente vem as nossas mentes quando imaginamos uma hélice conectada a um motor, normalmente não são utilizados em Vants pelo seu consumo de energia e aquecimento interno. Carrinhos de controle remoto de baixo custo normalmente utilizam este tipo de motor.

Outrunner: O corpo principal do motor gira junto com o eixo. Na extremidade do motor há uma parte separada do corpo que serve como montante para fixação de todo o conjunto. Observando as imagens abaixo, a parte onde estão conectados os cabos é fixa, o restante gira.

 

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O Spinner normalmente serve para proteger o motor de um impacto direto e também para fixar a hélice ao motor, existem muitos tipos de spinners, uns pequenos que praticamente só servem para fixar a hélice ao motor, e outros maiores que protegem com mais firmeza, que também podem ser utilizados em hélices flexíveis, como a do Batmap por exemplo, quando o Vant corta o motor (desliga) a hélice dobra para diminuir o arrasto aerodinâmico do conjunto, resultando assim numa maior eficiência.

As hélices são importantes no cálculo do torque do motor pois hélices menores significam maior rotação e menos torque, hélices maiores tem maior torque e menos rotação. Aqui deve-se tomar cuidado pois cada motor tem no seu manual a hélice ideal para o seu funcionamento, se colocar uma hélice errada influenciará negativamente no consumo de todo o conjunto, podendo até superaquecer ou queimar o motor.

 

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Bateria

As baterias dos Vants normalmente são de Lipo – lithium polymer battery (Bateria de Polímero de Lítio), pois são leves, recarregáveis e possuem alta capacidade de descarga, o que é ideal para esta aplicação.

O propósito de uma bateria é o de armazenar energia e liberá-la em um tempo apropriado de uma maneira controlada. Ser capaz de armazenar uma grande quantidade de energia é uma coisa, a habilidade de satisfazer a capacidade de demanda é outra. As baterias são divididas por células, denominadas S – Standart (Células Padrão), onde cada célula adicional significa um ‘S’ a mais, por exemplo se uma bateria for 3S ela contém 3 células, 5S contém 5 células.

Cada célula de uma bateria de Lipo armazena 3,7V nominal, e 4,2V em carga máxima, portanto uma bateria 3S tem capacidade de armazenar 12,6V (3*4,2V), uma bateria 5S armazena até 21V (5*4,2V). Cada bateria tem uma capacidade de carga e descarga, que é medida através da Taxa-C, esse valor pode variar de 1C (carga) a 40C (descarga), ou até mais em algumas tecnologias, por exemplo uma bateria 3S de 2200mah (2,2A/h = 2,2 Ampères por hora) e 25C tem uma capacidade de descarga contínua de 55 Ampères (2,2Ah * 25), se o motor e demais componentes eletrônicos que estiver utilizando necessite de mais de 55A então deverá utilizar uma bateria maior (4S por exemplo) ou a mesma bateria (2200 mAh), mas com capacidade de descarga maior (30C ou mais), caso contrário estará colocando em risco a segurança do seu equipamento, e também danificando a bateria, podendo até em alguns casos incendiar.

Mas o que isso significa na prática? Dependendo do conjunto de eletrônica que estiver usando, da escala desse conjunto você necessitará de mais ou menos voltagem, uma bateria maior significa mais peso, logo precisará de um motor com mais torque, que poderá precisar de mais energia para operar e assim vai, então essa conta deve ser feita com muito cuidado, pois influencia diretamente na durabilidade do voo e consequentemente a eficiência do seu Vant.

Foi através desses cálculos detalhados de consumo de energia de cada componente, aliado a aerodinâmica da aeronave, peso, sistema de inteligência capaz de gerenciar o consumo do motor que possibilitou o Batmap atingir uma autonomia de uma hora e meia.

Bateria é algo extremamente sério, deve ser manuseada com cuidado, armazenada em local aquedado, evitar quedas, literalmente deve ser tratada com carinho, senão poderá danificá-la, ou pelo menos diminuir a vida útil.

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Radiocontrole

O Radiocontrole, conhecido pelos aeromodelistas apenas como Rádio, é o equipamento responsável por fazer o controle manual do Vant, é através dele que o Operador técnico pode interferir no voo caso algo ocorra errado, ou quando se deseja fazer o pouso manual. Existem diversas marcas de Rádio no mercado como Turnigy, Futaba, FrSky, Taranis, DX, HobbyKing, Spektrum, Hitec, entre outros, algumas dessas marcas são chinesas, então deve-se tomar cuidado ao escolher este equipamento, pois o Rádio é uma das partes mais importantes de um Vant.

Todo Vant/Drone/Rpa deverá ter um Radiocontrole ao lado do operador, pois apesar das aeronaves realizarem o voo automaticamente, é necessário que se tenha uma forma de interferir no voo para o caso de algo não programado acontecer, como por exemplo um Avião agrícola começa a voar na região de interesse enquanto o seu Vant está voando, imediatamente o Operador deve assumir o comando manual e pousá-lo.

 

cont

Receptor

O receptor é responsável por receber os comandos do rádio e enviá-los aos servos para que a aeronave realize os movimentos durante o voo, ao motor para que acelere ou desacelere, e também para a placa controladora do Vant, para assumir modo manual ou automático.

Alguns receptores possuem duas antenas, e outros apenas uma, o que diferencia um em relação ao outro é a confiança, pois quando se tem apenas uma antena o Transmissor do Rádio envia e recebe sinal através daquela antena, portanto se houver uma perda de sinal é necessário que o Transmissor se conecte com esta mesma antena, o tempo necessário para realizar a reconexão muitas vezes é de poucos segundos, mas que pode ser suficiente para uma tragédia. Enquanto que o receptor com duas antenas alterna entre envio e recepção de sinal entre as antenas, portanto se perder o sinal de uma antena o Rádio ainda mantém o sinal da outra, evitando assim uma queda do equipamento. No caso do receptor de duas antenas é importante que as antenas sejam colocadas 90° uma em relação a outra, o que garante cobertura de sinal em todas as direções.

Cada conjunto Rádio/Receptor tem certo número de canais para operação, que servem para os comandos básicos e alguns específicos, por exemplo, um modelo convencional básico (avião asa fixa) necessita de 4 canais para operar: Ailerons(1), Profundor(1), Leme(1) e ESC(1), e para comandos adicionais como Trem de pouso retrátil, Flaps, entre outros precisa de um canal adicional cada um. Aquele monte de botões que vemos nos exemplos acima servem basicamente para estas funções extras que o Rádio oferece.

recep

 

Controladora

A parte mais importante de todo o conjunto do Vant sem dúvida é a controladora, ela é o cérebro de todo o equipamento, sem ela o Vant não executaria o plano de voo. As controladoras são divididas basicamente em duas categorias, código aberto e código fechado, as de código aberto são desenvolvidas pela comunidade e permitem alterações nos algoritmos que controla o hardware, as de código fechado não permitem alterações, mas algumas em específico tem Interface de Programação de Aplicação que permitem estender funcionalidades. Normalmente as controladoras de código aberto são mais baratas, porém é necessário um conhecimento em programação para que se possa operar corretamente, ao contrário das de código fechado que já vem tudo programado e praticamente pronto para uso.

A controladora se conecta a todos os servos, esc-motor, gps, receptor, sensor de velocidade, bateria e câmera, e através de um processador interno executa todo o planejamento de voo ou então permite o voo manual com ou sem estabilização.

Abaixo segue as principais controladoras do mercado:

http://www.holybro.com/product/11, https://pixhawk.org/modules/pixhawk, http://www.feiyu-tech.com/products/11/, https://vrbrain.wordpress.com/vrbrain-5/

 

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GPS

O receptor GPS é uma peça fundamental no Vant, pois sem ele o equipamento não consegue se guiar em campo, e consequentemente não realiza o mapeamento aéreo. Graças ao desenvolvimento tecnológico e miniaturização dos componentes, hoje é possível carregar uma antena GPS em um Vant sem problemas.

 As fotos abaixo mostram as antenas GPS, vale lembrar que as antenas fazem a conexão com os satélites, mas é necessária uma controladora para processar e organizar os dados recebidos.

gps

 

Câmera

Para que o mapeamento aéreo tenha uma boa qualidade é preciso que se tenha uma boa câmera, algumas características são essenciais para manter uma boa qualidade em todo o trabalho, como por exemplo uma câmera com lente de foco fixo, onde garante uma qualidade geométrica igual do início ao fim do voo. A segunda exigência é que o obturador da câmera consiga trabalhar rápido o suficiente para não gerar arrastamento, que é o pior cenário na fotogrametria, o arrastamento é quando a imagem fica borrada, ou seja há uma perda de informação, e consequentemente perda de qualidade no trabalho. Outra exigência é que a câmera seja integrada com o GPS, alguns modelos oferecem GPS interno, porém, devido a rápida captura de imagens há muitas falhas de coleta de dados do receptor GPS.

O BATMAP utiliza a câmera Sony a6000, esta câmera possui uma das mais rápidas velocidades de captura de imagem (velocidade do obturador) que aliada à velocidade de cruzeiro do BATMAP de 45 Km/h o arrastamento é nulo, isso evita o tão temido arrastamento e garante maior qualidade geométrica nas imagens capturadas e consequentemente melhor qualidade nos produtos gerados.

Mais informações sobre esta câmera pode ser encontrada em:

                http://www.dpreview.com/reviews/sony-alpha-a6000

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Os Vants/Drones/RPAs vieram para ficar, se você quer sair na frente nesse mercado e investir na compra de um equipamento é necessário fazer uma pesquisa detalhada e comparar produtos e preços, procurar o melhor custo/benefício que satisfaça sua necessidade e é claro investir em capacitação para poder oferecer um serviço de qualidade.

 

Qualquer dúvida, crítica ou sugestão é só comentar logo abaixo.

Por: Anderson Arias | Operações com Drones

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