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Unidade Curricular: Projeto FEUP Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica III
2014/2015
Engenharia Mecânica
nos Transportes Aéreos Drones- Veículos Aéreos Não
Tripulados
Supervisor(es): Professora Ana Reis e Engenheiro João Duarte
Monitor(es): Ana Dulce e Luís Faria
Joana Manuel Polónia Miranda up201403669
João Luís Alves Prata up201403679
João Miguel Paupério up201406438
José Neves das Neves up201406301
José Pedro Pereira up201406302
José Ricardo Neves up201406303
Turma 1M03; Equipa 1M3_03
Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Unidade Curricular: Projeto FEUP
Drones – Veículos Aéreos Não Tripulados
Unidade Curricular: Projeto FEUP; Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica II
Resumo
Este relatório, realizado no âmbito da unidade curricular de Projeto FEUP, visa
dar a conhecer o conceito de Drone, explicitando as suas características, principais
utilizações no nosso quotidiano, os materiais e processos de fabrico, o sistema de
propulsão e descolagem, sistemas de posicionamento e navegação e, por fim, os seus
prós e contras.
Os drones são veículos aéreos não tripulados que têm cada vez mais, um papel
preponderante na vida quotidiana, devido à sua vasta gama de utilizações, podendo
intervir em domínios tão distintos como a agricultura ou fins militares.
A composição destes veículos é complexa, envolvendo bastantes constituintes,
desde o Frame à placa de distribuição. Fatores como o peso, autonomia e o custo de
produção são prioridades na área da investigação para o seu fabrico. Quanto ao
sistema de propulsão e descolagem destes veículos, este divide-se em duas vertentes:
idêntico ao dos aviões e idêntico ao dos helicópteros.
Dentro dos sistemas de posicionamento e navegação, os drones podem ser
controlados remotamente, sendo bastante importantes para a navegação à distância,
dependendo dos fins a que se destinam.
Com o aumento da utilização dos drones, começaram a surgir polémicas
relacionadas com ética, havendo denúncias de invasão de privacidade e até acidentes
dos quais resultaram feridos inocentes, o que levou diversos países a criarem
legislação para controlar o uso dos drones. No entanto, é consensual que as suas
vantagens são imensas.
O papel do Engenheiro mecânico é fundamental para uma boa produção destes
veículos, intervindo desde cedo na projeção mecânica, juntamente com engenheiros
formados noutras áreas.
Unidade Curricular: Projeto FEUP; Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica III
Palavras-Chave
Transportes aéreos;
Veículos aéreos não
tripulados;
Drones;
Hélices;
Asa;
Compósitos;
Fibra de carbono;
Materiais;
Processos de fabrico;
Sistema de propulsão;
Sistemas de
posicionamento e
navegação.
Agradecimentos
Gostaríamos de agradecer a todos os que contribuíram, de alguma forma, para
o sucesso deste projeto.
Em primeiro lugar, demonstramos a nossa gratidão à Professora Ana Reis, ao
Engenheiro João Duarte e ao monitor Luís Faria por se terem disponibilizado para nos
tirar dúvidas e ajudar na organização do relatório.
Expressamos ainda um agradecimento especial à monitora Ana Dulce, por todos
os conselhos que nos transmitiu e por todo o material de trabalho fornecido. No fundo,
toda a sua dedicação e atenção foram essenciais para o desenvolvimento deste
projeto.
Por último, queremos demonstrar o nosso apreço por todos os docentes que
estiveram envolvidos nas atividades decorridas na primeira semana do ano lectivo, que
muito contribuíram para que tivéssemos todos os fundamentos teóricos e práticos
necessários para a realização deste trabalho, por nos terem incutido um espírito de
cooperação e de trabalho em grupo que foram fundamentais no decorrer desta unidade
curricular.
Unidade Curricular: Projeto FEUP; Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica IV
Índice
Lista de Abreviaturas ................................................................................................................................................... 1
Introdução .................................................................................................................................................................... 2
1. Contextualização teórica ......................................................................................................................................... 3
Drone – o que é? ....................................................................................................................................................... 3
2. Fabrico do Drone ..................................................................................................................................................... 8
Requisitos .................................................................................................................................................................. 8
Como é constituído? .................................................................................................................................................. 9
Autonomia……………………………………………………………………………………………………………………...11
Bateria - o que é? ............................................................................................................................................... 11
Tipos de Baterias ............................................................................................................................................... 11
Autonomia: pressupostos ................................................................................................................................... 13
Materiais .................................................................................................................................................................. 15
O que são compósitos? ....................................................................................................................................... 15
Compósito de fibra de carbono ........................................................................................................................... 16
Processos de fabrico de materiais compósitos ........................................................................................................ 19
Infusão em vácuo (moldação em vácuo) ............................................................................................................. 19
Pultrusão ............................................................................................................................................................. 20
3. Sistemas de propulsão e descolagem ................................................................................................................. 21
Drones semelhantes a helicópteros ......................................................................................................................... 21
Drones semelhantes a aviões.................................................................................................................................. 22
4.Sistema de Posicionamento e Navegação do Drone ........................................................................................... 24
Tipos de Sistemas de Posicionamento e Navegação .............................................................................................. 24
Rádio Posicionamento/Navegação ..................................................................................................................... 25
Sistemas de Navegação e Posicionamento por Satélite .............................................................................. 25
Sistemas Terrestre de Navegação e Posicionamento .................................................................................. 27
Sistema de navegação inercial ........................................................................................................................... 27
Transmissão das informações do drone para o segmento terrestre ........................................................................ 28
5. Prós e contras ........................................................................................................................................................ 29
6. Curiosidades: As regras francesas param o uso de drones .............................................................................. 31
Síntese do Conhecimento: O papel da Engenharia Mecânica nos Drones .......................................................... 32
Considerações Finais ................................................................................................................................................ 33
Referências ................................................................................................................................................................. 35
Drones – Veículos Aéreos Não Tripulados
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Lista de Abreviaturas
VANT- Veículo Aéreo Não Tripulado
ESC- Electronic Speed Controlers
VIP- Vacuum Infusion Process
CRFP- Carbon Fiber Reinforced Polymer
FPV- First Person View
GPS- Global Position System
ONU- Organização das Nações Unidas
FPV- First person view
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Introdução
A cada dia que passa, o Mundo vai sofrendo, progressivamente, modificações e
alterações nas mais variadas vertentes. Esta tendência também se estendeu ao
domínio dos transportes aéreos: de um simples e rudimentar aeroplano sem motor até
ao drone num curto espaço de tempo. Cada vez mais o Homem se ocupa do estudo
dos meios de transporte e procura novas formas de os melhorar, tudo com o fim de
melhorar a qualidade de vida do ser humano. Nesta perspetiva, o papel do Engenheiro
é fundamental.
No que toca aos transportes aéreos, estes são um dos tipos de meios de
transporte mais recentes e mais estudados nos últimos anos, dada a enorme margem
de progressão que ainda apresentam no que toca ao seu desenvolvimento e produção.
São, de momento, o meio mais seguro e, em longas distâncias, é o transporte mais
rápido e prático a ser usado.
Existem vários tipos de transportes aéreos. O primeiro a surgir foi o balão
(século XVIII), mais tarde o zepelim, assim sucessivamente até ao aparecimento
daqueles que são mais comuns atualmente. No entanto, nos últimos anos, a ciência e a
engenharia têm produzido um novo tipo de transporte aéreo, que visa a movimentação
de um veículo aéreo sem necessidade de piloto, isto é, que podem ser comandados à
distância ou até mesmo através de um programa que segue instruções. Esta nova
geração de veículos não tripulados apelida-se de VANT.
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1. Contextualização teórica
Drone – o que é?
Os drones foram inicialmente projetados para uso militar, tendo como objetivo
reduzir a perda de vidas humanas. No entanto, posteriormente, descobriram-se muitas
outras utilizações para estes veículos nas mais diversas áreas, desde a agricultura ao
lazer, assim como na monotorização de infraestruturas.
O conceito de drone já é antigo, visto que a ideia que fez aparecer este veículo
surgiu numa batalha entre a Áustria e a Itália, em 1849, quando a Áustria enviou balões
sem pilotos equipados com bombas para o solo italiano. Porém, isto não teve os
melhores resultados, uma vez que, apesar de alguns balões terem cumprido o objetivo,
alguns regressaram ao ponto de partida, devido ao vento que se fazia sentir.
Alguns anos mais tarde, pouco depois da primeira guerra mundial, o exército
americano desenvolveu uma “bomba voadora” que se aproximou ainda mais do
conceito de drone. Contudo, este veículo não era muito eficaz e ainda precisava de
piloto para se poder largar a bomba.
Finalmente, já em 1959, as forças aéreas norte-americanas começaram a
desenvolver um projeto para criar o primeiro drone. Apenas em 1964 é que foi
conseguido concluir o drone, tendo no dia 2 de Agosto deste ano feito o seu primeiro
voo numa missão no Vietname.
Após esta missão, o desenvolvimento dos drones tem sido uma forte aposta,
não só pelos governos e empresas de espionagem, como também por empresas
ligadas ao lazer. Mais recentemente, especialmente após 11 de Setembro, os drones
têm sido utilizados em missões de espionagem. Além disso, também têm grande
utilidade muitas outras vertentes, como na agricultura, na monitorização de
infraestruturas e no controlo de fronteiras, uma vez que, facilitam a realização destas
tarefas. Adicionalmente, têm sido desenvolvidos drones mais pequenos, baratos e
fáceis de manobrar que tornam estes veículos num “brinquedo”. [1]
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Um VANT, tal como o próprio acrónimo indica, é um veículo aéreo não tripulado,
que tanto pode ser comandado por pilotos numa estação como seguir um programa
pré-definido, de forma autónoma. O drone é o mais conhecido tipo de VANT, e divide-
se em duas principais categorias: uns são destinados para fins de vigilância, enquanto
outros para fins militares, sendo equipados com artilharia, como mísseis e bombas. No
entanto, o drone pode ser usado nas mais variadas vertentes (lazer, empresarial,
científico). Na Figura 1 pode ver-se um tipo de drone, neste caso, semelhante a um
avião. [2]
Figura 1 - Drone semelhante a avião. [3]
Isto possibilita a criação de uma indústria revolucionária à volta destes veículos
não tripulados. De facto, a produção de drones teve um grande crescimento nos
últimos anos. Isso deve-se principalmente ao facto destes, para além de serem
controlados remotamente, terem uma extraordinária capacidade para permanecerem
em voo por muitas horas. Por exemplo, de acordo com o jornal “Peace News”, um
jornal britânico, o drone Zephyr, produzido em Inglaterra, quebrou o recorde de tempo
de voo, ao voar ininterruptamente oitenta e duas horas. Além disso, estes veículos têm
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uma capacidade de obter imagens com uma alta definição, por isso são utilizados em
filmagens televisivas e cinematográficas.
No entanto, a potencialidade destes veículos aéreos alastra-se para outros
horizontes, tendo, para além destas, muitas mais utilizações nos tempos que correm:
Na área da ciência e da investigação, o drone desempenha cada vez
mais um papel fundamental, sendo já uma das principais “ferramentas”
dos cientistas e investigadores. Como exemplos, têm-se a observação
aérea na análise de previsões meteorológicas, ou o controlo da migração
de espécies de animais (Figura 2). Outro exemplo na área da
investigação, desta vez em Portugal, passa por um grupo de estudantes,
de uma faculdade de Lisboa, estar a desenvolver um drone com
capacidades topográficas e fotográficas de alta qualidade e precisão, de
modo a perceber melhor os problemas do degelo na Antártida.
Figura 2 – Drone camuflado para controlo de migração de aves. [4]
Outra área em que este veículo está cada vez mais presente é a
agricultura, onde auxiliam no controlo de possíveis pragas ou regulam a
densidade das sementeiras (Figura 3).
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Figura 3 – Drone para fins de controlo agrícola [5]
Por outro lado, no plano da tecnologia, empresas televisivas têm vindo a
utilizar drones na cobertura de eventos enquanto outras desenvolveram
drones com a capacidade de distribuir rede wi-fi (Figura 4) e até a de
entregar encomendas
Figura 4 – Drone de distribuição de wi-fi.. [6]
Por fim, no que toca à engenharia, estes veículos aéreos não tripulados
possibilitam uma melhor monitorização de infraestruturas (Figura 5),
principalmente as maiores, como barragens.
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Figura 5 – Drone para monitorização de infra-estruturas [7]
No entanto, a utilização excessiva dos drones começou a gerar polémicas a
nível mundial, havendo, inclusive, debates sobre legislação que deveria vigorar
universalmente para regular o seu uso. [8] [9]
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2. Fabrico do Drone
Requisitos
Como já foi referido anteriormente, os drones assumem diferentes papéis no
nosso dia-a-dia. Estes necessitam de caraterísticas específicas para as funções a
desempenhar e para os objetivos para os quais são produzidos.
Por um lado, os drones militares são construídos para serem discretos e não
detetáveis. Para tal têm de ser silenciosos e rápidos de modo a que a sua presença
não seja perceptível por terceiros. Estes necessitam, também, de ter uma autonomia
elevada, de modo a ser possível efectuar voos de várias horas, sem ser necessário
aterrar para recarregar baterias. Estes drones, contrariamente aos multirotores
comerciais, são instrumentos de guerra, necessitando, então, de uma estrutura sólida
e robusta que suporte todo o armamento que estes carregam, como mísseis e armas.
Por outro lado, os drones comerciais, ou com fins lúdicos, são apenas
produzidos tendo em conta o seu peso, durabilidade, custo de produção e
montagem, rapidez, facilidade de manuseamento e de modo a atingirem baixos
consumos energéticos, não havendo qualquer preocupação com a sua camuflagem.
Estes aparelhos vão de encontro às mais variadas necessidades do consumidor,
podendo este optar pelas caraterísticas que mais lhe convém, consoante o dinheiro
que quer investir. Existe uma grande diversidade de combinações possíveis na
construção destes drones, pois podem ser personalizados e montados peça a peça
pelos utilizadores. Em geral, todos eles possuem funções específicas e necessitam de
diversas caraterísticas para as cumprirem da melhor forma possível, apesar de pontos
de interesse comuns entre todos serem a velocidade, leveza, facilidade de
manuseamento e estabilidade de voo.
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Como é constituído?
De um modo geral podemos dizer que os principais elementos constituintes dos
drones são:
Frame: É o chassis do drone, o suporte de todas as peças, o “esqueleto” da máquina.
Main Board: Placa que inclui um processador e uma memória RAM e, por vezes um
chip que permite a ligação Wi-Fi. É o cérebro do drone. [10]
Motores: Fazem as hélices girar e deste modo com que o drone voe.
Hélices: Pás que rodam e permitem ao drone voar.
Baterias: Responsáveis pelo fornecimento de energia.
Placa de distribuição: Distribui a energia proveniente das baterias pelos controladores
de velocidade.
Controladores de velocidade (ESC): Permite comandar e gerir a velocidade do
aparelho.
Rádio e Recetor: Estabelece a ligação entre o operador e o multirotor
Controlador de voo: Instalado em conjunto com um GPS, possibilita a localização e
posterior gravação de trajetos e coordenadas FTDI [11]
Na Figura 6, é possível observar-se diversos componentes de um drone.
.
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Figura 6 – Componentes primários [12]
1- Controladores de velocidade
eletrónicos (ESC)
2- Hélices
3- Baterias
4- Motores
5- Main board
6- Peças constituintes do frame
7- Placa de distribuição
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Bateria, o que é?
As baterias são dispositivos usados para gerar energia através de reações
químicas; possuem dois pólos, um positivo e outro negativo, que, quando interligados
através de um circuito fechado, possibilitam a geração de energia.
Tipos de Baterias
Existem vários tipos de baterias, como por exemplo as baterias de níquel-
cádmio, iões de lítio e chumbo-ácido:
• Baterias de níquel-cádmio:
Este tipo de baterias (Figura 7) é bastante mais resistente a variações de
temperatura e condições de sobrecarga, sendo facilmente carregada através de
correntes mais elevadas, o que diminui o tempo de carga. Contudo, caso não se deixe
descarregar totalmente, podem viciar (fenómeno que diminui a tensão fornecida). Para
além disso, o seu custo é bastante elevado, são muito pesadas, ocupam muito espaço
e requerem manutenção constante.
Figura 7 - Bateria de níquel-cádmio.[13]
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• Baterias de iões de lítio:
Sendo o lítio um metal muito leve, este tipo de baterias (Figura 8) é bem mais
leve do que as baterias de níquel-cádmio e de chumbo-ácido, tendo também a
vantagem de não viciar. Para além disso, os custos de manutenção são menores,
carregam mais rapidamente e apresentam um tempo de vida útil mais elevado.
Contudo, o seu preço é mais elevado que os restantes.
Figura 8 - Bateria de iões de lítio.[14]
• Baterias de chumbo-ácido:
O custo deste tipo de baterias (Figura 9) é mais baixo do que os restantes.
Porém, são sensíveis a grandes variações de temperatura e devem ser carregadas
com baixas correntes, o que conduz a um elevado tempo de carga. Outra desvantagem
é o facto de serem muito pesadas.
Figura 9 - Bateria de chumbo-ácido. [15]
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Autonomia: pressupostos
Autonomia (temporal) é o tempo de funcionamento de um aparelho sem
necessidade de recarregar a bateria. Depende do tipo de bateria e também das
características do próprio drone, tais como o peso.
Uma das principais características das baterias que influenciam a autonomia é a
densidade de energia, medida em Wh/kg, ou seja, “watts-hora por kilograma”.
O cálculo da densidade de energia de uma bateria é efetuado do seguinte modo:
𝐷 =𝐸
𝑃
onde:
𝐷 - Densidade de energia (em Wh/Kg)
𝐸 - Energia total que a bateria consegue armazenar (em Wh)
𝑃 - Peso da bateria (em Kg)
Por sua vez a energia total que a bateria consegue armazenar é calculada
através da multiplicação da potência (voltagem x intensidade) pelo tempo:
𝐸 = 𝑃 × 𝑇 = 𝑈 × 𝐼 × 𝑇
onde:
𝑃 - Potência (em Watt)
𝑇 - Tempo (em h)
𝑈 - Tensão (em V)
𝐼 - Intensidade de corrente (em A)
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De um modo geral, verifica-se que, para uma mesma energia, quanto menos
pesada for a bateria, maior será a densidade de energia, o que implica um aumento de
autonomia.
Assim, as baterias de iões de lítio surgem em destaque devido ao seu baixo
peso comparativamente às restantes, pois, à partida, permitem uma autonomia de voo
maior. [16] [17] [18] [19]
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Materiais
Para que os drones possuam as características anteriormente referidas, a
escolha dos materiais para as peças que os constituem torna-se uma etapa de extrema
relevância.
Nos drones comerciais, como os multirotores, há certos aspetos a ter em conta
na escolha dos materiais utilizados tais como:
• Densidade dos materiais
• Resistência mecânica
• Custos de produção
• Facilidade de manutenção
Um drone deste género deve ser leve, ágil, durável, de fácil manuseamento e
resistente a quedas.
Desde o seu surgimento, os materiais escolhidos têm vindo a ser alterados,
resultado da investigação intensiva nesta área pelas mais variadas empresas e
universidades.
Atualmente, os compósitos são materiais de eleição na construção de drones.
[20]
O que são compósitos?
Os compósitos definem-se como sendo “materiais resultantes da associação de
dois materiais de naturezas diferentes (fibras e resinas) cujas qualidades se
completam, originando um material homogéneo onde as caraterísticas globais são
superiores às dos constituintes.” (Marques, A. T. 2014. Apontamentos de Sistemas Compósitos:
Materiais Compósitos – Conceber e Fabricar para Durar. FEUP.)
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Os compósitos são uma combinação de pelo menos dois materiais diferentes,
com uma ligação entre eles. As propriedades dos mesmos dependem da natureza dos
materiais utilizados e do grau de ligação dos mesmos.
Estes são compostos pela fase contínua, a matriz (resina), que funciona como
suporte e providencia resistência em situações de compressão, e pela fase dispersa,
constituída por certas fibras ou partículas.
Por vezes, o Engenheiro, nas aplicações tecnológicas em que trabalha, vê-se na
necessidade de encontrar um material com combinações pouco comuns de
propriedades. Então, em vez de se desenvolver um novo material que pode ou não
assegurar os atributos requeridos, é modificado um material já existente, incorporando
outro componente, cuja junção fará com que este compósito tenha as qualidades
desejadas.
Na atualidade, a utilização dos materiais compósitos estende-se da vida
quotidiana até à indústria, como a indústria aeroespacial, destacando-se o fabrico de
aviões. Nesta indústria, onde se inclui a produção de drones, utilizam-se diversos
compósitos (de fibra de vidro, de fibra de carbono, entre muitos outros), em que se
procura, acima de tudo, propriedades que revelem leveza e resistência do material
utilizado.
Hoje em dia, existe uma grande aposta nos compósitos e, a título ilustrativo,
abaixo, analisar-se-ão, ao pormenor, as propriedades de compósitos de fibra de
carbono. [21] [22] [23]
Compósito de fibra de carbono
Tal como o nome indica, este compósito (Figura 10) é constituído
essencialmente por fibra de carbono e é muito comum em aplicações presentes no dia-
a-dia (capacetes, bicicletas, coletes à prova de bala, pranchas de surf, entre muitos
outros). Segundo a língua inglesa este compósito denomina-se por Carbon Fiber
Reinforced Polymer (CRFP), ou seja a sua matriz é constituída por resina (por
exemplo, epóxi - polímero) e são utilizadas fibras de carbono.
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Figura 10 – Compósito de Fibra de Carbono
Este compósito tem como principais vantagens o seu baixo peso e resistência, por
outro lado, o preço deste compósito é relativamente alto, mas dadas as suas
especificidades compensa o uso deste material. Para além disso, a elevada
condutividade é outra característica presente nos CRFP que dependendo das
aplicações pode ser considerado vantagem ou desvantagem.
● O baixo peso deve-se essencialmente à baixa densidade que um compósito
CFRP possui, cerca de 24,95 g/cm3;
● A resistência deste compósito é muito elevada;
● A condutividade dos CFRP é elevada o que pode ser uma característica
benéfica em alguns casos. Vejamos o exemplo seguinte: os responsáveis pela
reparação dos cabos elétricos não vão utilizar escadas com este tipo de
compósito que tem uma condutividade elevada, porque correm o risco de serem
eletrocutados; por outro lado, podem utilizar escadas feitas com compósito de
fibra de vidro que tem a característica de ser isolante.
O facto dos compósitos de fibra de carbono terem toda esta panóplia
características, muitas vezes, muito úteis, eleva o seu preço. Comparando, por
exemplo, com metais, preço dos compósitos é bastante mais elevado, o que leva a que
algumas empresas prefiram o uso de metais, apesar de para este tipo de aplicações -
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onde o baixo peso é essencial -, possam não ser os materiais mais indicados. Apesar
disto, com os avanços tecnológicos, a produção deste tipo de compósitos irá sendo
cada vez mais desenvolvida e em breve o uso de compósitos de fibra será muito mais
abrangente. [24]
Na tabela (Tabela 1) seguinte são comparadas as principais caraterísticas de
materiais que são usados na construção de um drone: compósito de fibra de carbono,
compósito de fibra de vidro, aço e alumínio. [25]
Tabela 1 - Propriedades de alguns materiais
Densidade
(𝜌)
(Kg/m3)
Resistência
mecânica
(𝜎𝐸)
(MPa)
Rigidez
(𝐸)
(GPa)
Elongação
(%)
Preço
(€/Kg)
Compósito
de Fibra de
carbono
1.5𝐸3 − 1.6𝐸3 550 − 1.05𝑒3 69 - 150 0.32 – 0.35 29.8 – 33.1
Compósito de
Fibra de vidro
1.54𝑒3 − 1.7𝑒3 187 - 389 76 - 98 8 - 9 4.5 – 5
Aço de
construção
7.8𝑒3 − 7.9𝑒3 250 - 395 200 - 215 26 - 47 0.446 – 0.486
Alumínio
2.5𝑒3 − 2.9𝑒3 95 - 610 68 - 80 1 - 20 1.88 – 2.06
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Processos de fabrico de materiais compósitos
Nesta secção, são explicitados dois dos processos de fabrico mais usuais para a
produção de materiais compósitos: infusão em vácuo e pultrusão.
Infusão em vácuo (moldação em vácuo)
Uma das formas de produzir os compósitos é através da moldação por infusão
em vácuo. Este processo denominado em inglês por vacuum infusion process (VIP),
consiste em utilizar pressão negativa para retirar o ar enquanto se impregna a matriz
com resina (por exemplo, resina epóxi) (Figura 11).
Figura 11 – infusão em vácuo
Para maximizar e rentabilizar o processo de infusão devemos utilizar uma resina
fina, materiais bastantes permeáveis e a maior diferença de pressão possíveis.
Este processo tem grandes benefícios pois irá gerar materiais compósitos mais
resistentes devido a uma maior consolidação. Além disso, também facilita a formação
de formas complexas. Este processo permite, ainda, que a resina em excesso seja
menor tornando o compósito mais fino. O controlo de qualidade das peças fabricadas é
pouco dispendioso e os acabamentos são simples, uma vez que este processo é
bastante básico. Este método é “amigo” do ambiente visto que a emissão de gases
para a atmosfera é reduzida.
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Em suma, a infusão de vácuo é um processo cada vez mais utilizado, visto que
é um processo de fabrico simples e pouco dispendioso comparativamente a outros
processos como, por exemplo, a pultrusão.
Pultrusão
A pultrusão (Figura 12) é um processo automatizado que visa o fabrico de
produtos (de formas contínuas). Geralmente estes produtos são constituídos por
resinas ou fibras, e encontram-se reforçados com fibras de aramida (geradas a partir
de nylons aromáticos), vidro (o mais comum) ou carbono. [26]
Figura 12 - Pultrusão
Este processo inicia-se com as fibras a serem impregnadas em resina poliéster,
sendo, depois, pré-moldadas de modo a ficarem com a forma do produto final
desejado. Seguidamente, o compósito é puxado através de uma matriz de aço
aquecida. Quando este sai da matriz já se encontra rígido, e possui a forma exata da
cavidade por onde passou, dentro do compósito as fibras encontram-se laminadas, e,
por fim, o produto é cortado com o comprimento desejado.
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Este processo tem diversas vantagens, por exemplo, os produtos gerados por
pultrusão apresentam uma elevada resistência química, e, por outro lado, o resultado
final sai mais rentável em questões monetárias.
Por fim, este processo consegue obter perfis com elevada complexidade com
um excelente acabamento em termos de uniformidade das suas características, como
a cor e lados. [27]
3. Sistemas de propulsão e
descolagem
Os sistemas de propulsão e descolagem dos drones dividem-se em duas
principais vertentes: uns semelhantes ao dos helicópteros e outros semelhantes ao dos
aviões.
Drones semelhantes a helicópteros
Tal como os helicópteros, os drones podem levantar voo e aterrar apenas
verticalmente, bem como voar em qualquer direção, seja ela para a frente, lado, ou
mesmo para trás (Figura 13).
Podem também suspender-se no ar, acima de um determinado local. Estes
drones levantam voo através das suas hélices, que funcionam como um propulsor, pois
utilizam a energia fornecida pelo motor para girar, o que impulsiona o ar para baixo.
Pela 3ª lei de Newton (se o corpo A aplica um força num corpo B, A irá receber uma
força com a mesma intensidade, direção, e sentido oposto- par ação/reação), o ar
aplica, da mesma maneira, uma força de reação para cima, o que provoca uma
diferença de pressão entre a parte superior e inferior da hélice, pelo facto de a
velocidade do ar ser superior na parte de cima, fazendo o drone subir. [28]
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Figura 13 - Drone semelhante a um helicóptero.
Drones semelhantes a aviões
Tal com os aviões, os drones utilizam a energia fornecida pelo motor para se
movimentarem.
No voo deste tipo de drones, atuam quatro forças fundamentais (Figura 14):
● Força de Tração
● Força de Arrasto
● Força de Sustentação
● Peso
Figura 14 - As 4 forças fundamentais no voo de um drone. [29]
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Para descolar, o motor origina uma força, chamada força de tração, que é
responsável por impulsionar o veículo para a frente. Esta força terá que ser, assim,
maior do que a força de arrasto (força com a mesma direção mas sentido contrário ao
da força de tração), de maneira a que seja possível o arranque.
Assim que o drone atinge a velocidade necessária para levantar voo, as suas
asas, que possuem um perfil aerodinâmico, como o representado na figura, irão fazer
com que seja produzida um força com sentido de baixo para cima, contrariando o peso.
Este perfil permite que o ar passe pela parte de cima da asa com maior velocidade, do
que pelo lado de baixo, o que, de acordo com o princípio de Bernoulli (A pressão é
menor onde a velocidade de escoamento de um fluído é maior, e vice-versa), a pressão
na parte superior será menor. Esta diferença de pressão origina esta força de
sustentação vertical, no sentido das altas para as baixas pressões, facilitando a
descolagem (Figura 15).
Figura 15 - Perfil aerodinâmico de uma asa.[30]
Em suma, encontra-se na tabela abaixo (Tabela 2) a síntese da comparação dos
dois diferentes sistemas de propulsão dos drones.
Tabela 2 - Sistemas de Propulsão dos Drones
Drones semelhantes a helicópteros
Drones semelhantes a aviões
Sistema de propulsão e descolagem
As hélices funcionam como um propulsor, impulsionando o ar para baixo, o que provoca uma diferença de pressão entre a parte superior e inferior da hélice, permitindo o drone subir.
O motor origina uma força que impulsiona o drone para a frente. As asas permitem que o ar passe com menor pressão no topo da asa, criando uma força de sustentação ascendente.
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4.Sistema de Posicionamento e
Navegação do Drone
Tipos de Sistemas de Posicionamento e Navegação
Os drones possuem equipamentos que nos permitem estabelecer o
posicionamento espacial, ou seja, dar informações sobre as suas coordenadas
geográficas e altitude. Estas informações obtidas vão permitir a navegação à distância,
que pode ser feita de forma automática ou através de um piloto.
Um drone, que possui uma câmara que transmite em direto, vai permitir ao seu
piloto o controle deste, mas neste caso a utilização de sistemas de posicionamento vai
permitir ainda estabelecer a localização quase exata do local onde se encontra, o que
não é permitido caso fosse apenas pilotado através do recurso visual.
Dependendo do uso de cada drone, existe uma maior ou menor necessidade de
utilizar sistemas de posicionamento mais ou menos precisos. Tome-se como exemplo o
caso de drones utilizados para fins militares: existe uma necessidade elevada no que
diz respeito ao grau de exatidão da posição em que o veículo se encontra porque estão
em causa vidas de seres humanos. Por outro lado, quando um drone tem um fim
meramente lúdico, alguns destes nem são equipados com aparelhos que permitam o
posicionamento pois não vai haver um elevado distanciamento entre o individuo que
conduz e o veículo visto que existirá sempre contacto visual.
Deste modo, para os drones que necessitam para as suas funções um sistema
que permita localizar em tempo real, existem várias hipóteses. [31] [32]
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Rádio Posicionamento/Navegação
Tal como o próprio nome indica este sistema baseia-se na medição do tempo de
propagação de ondas electromagnéticas (neste caso ondas rádio que variam entre
10KHz e 100MHz) entre e o emissor (drone) e o recetor. [33]
Dentro deste subcapítulo do rádio posicionamento existem várias vertentes:
Sistemas de Navegação e posicionamento por
satélite
Estes tipos de sistemas são capazes de estabelecer posicionamento
geoespacial através do uso de satélites que orbitam em torno do planeta Terra.
Existem diversos sistemas de navegação a serem desenvolvidos por diferentes
países. O GPS (Global Positioning System) foi criado pelos Estados Unidos e foi o
primeiro a existir e a ser utilizado. Actualmente já estão a ser desenvolvidos outros,
como por exemplo GALILEO (União Europeia) e GLONASS (Rússia).
Estes sistemas funcionam todos da mesma forma e usam 3 componentes a
seguir descritas (Tabela 3):
Tabela 3 - Componentes do GPS
Espacial Controlo Utilizador
24 satélites (com relógios atómicos) artificiais principais e 3 de reserva (para eventuais falhas).
5 estações espalhadas pela Terra que têm como função monitorizar as posições do satélites e sincronizar os relógios atómicos.
Recetor gps que é constituído por norma por um relógio de quartzo.
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Tanto os satélites como os receptores GPS (incorporados nos drones) possuem
um relógio que marca o tempo com elevada precisão (nanossegundos). Os receptores
de GPS enviam um sinal sob a forma de onda electromagnética (ondas de rádio que
viajam à velocidade da luz no vazio) em que contem informação acerca da hora que o
sinal saiu do mesmo. Os satélites que orbitam em torno da Terra recebem a informação
sobre o tempo de saída do sinal do receptor e calculam a distância a que este se
encontra (velocidade de propagação da onda = distância percorrida / tempo desde
saída do recetor até atingir o satélite).
Devido à necessidade de saber o tempo exato de viagem da onda
electromagnética utilizam-se relógios atómicos nos satélites que são mais precisos do
que os mecânicos e os de quartzo, presentes nos receptores.
São precisos pelo menos 4 satélites para que seja possível a determinação da
posição (Figura 16):
Figura 16 – Interseção das ‘esferas’ geradas pelos 4 satélites de modo a obter uma posição espacial [35]
A distância a que o recetor se encontra gera uma esfera tridimensional, visto que
o recetor pode encontrar-se para qualquer direcção em relação ao satélite. Assim a
utilização de três satélites vai permitir a intersecção de 3 esferas. Uma quarta esfera
gerada por outro satélite vai permitir determinar a altitude a o drone se encontra.
Assim obtemos a posição espacial do drone, apesar de poderem existir erros
relacionados com a sincronização dos relógios, ou atrasos ou desvios que o sinal
electromagnético possa sofrer. [34] [35] [36]
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Sistemas Terrestres de Navegação e
Posicionamento
Por outro lado existem Sistemas que nos permitem obter localização espacial
mas em vez da utilização de satélites utilizam-se bases Terrestres no Globo. Estes são
algum dos sistemas que permitem o obter uma posição espacial (Tabela 4).
Tabela 4 - Sistemas de Terrestres de Navegação e Posicionamento
ADF VOR DME
Automatic Direction Finder
VHF Omnidireccional Range
Distance Measuring equipment
Permite encontrar a direcção relativamente a uma fonte que emite ondas de rádio. A utilização de duas fontes permite encontar a posição concreta. [37]
Uma base terrestre emite de forma constante em todas as direcções ondas electromagnéticas, e ao mesmo tempo emite de forma rotativa em torno da base. O recetor recebe e interpreta as ondas e calcula a diferença entre sinais de forma a obter a sua posição. [38]
A emissão de ondas por um veículo (interrogador) atinge uma base terrestre que recebe e reenvia ondas de outras frequências (pré determinadas). Através da diferença temporal o interrogador calcula a sua distância em relação à base terrestre .[39]
Sistema de navegação inercial
Outro sistema possível de posicionamento é o sistema de navegação inercial.
Sabendo a posição inicial do drone este sistema de navegação (Figura 17)
utiliza o conhecimento da aceleração do drone para calcular a sua velocidade através
da integração matemática. Além disso, também é necessário saber a direção que o
drone toma. Assim, é possível obter a localização do veículo.
Para calcular esta localização são utilizados acelerómetros, de modo a calcular
a aceleração e são usados giroscópios para o cálculo da direção do drone. Estas duas
grandezas combinadas permitem obter as coordenadas geográficas do veículo. No
entanto, este processo é um pouco impreciso devido a possíveis erros de cálculo. Por
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isso, para obter um menor erro deve-se combinar este aparelho com um GPS, de modo
a obter uma melhor localização. [40]
Figura 17– Sistema de medição inercial – giroscópio e acelerómetro [41]
Transmissão das informações do drone para o segmento
terrestre
Para toda a informação conseguida pelos sistemas de posicionamento ser
transmitida do próprio drone para os profissionais que estão a comandá-lo à distância,
ou seja, para os indivíduos que estão a monitorizar o drone utilizam-se ondas
eletromagnéticas moduladas emitidas pelo drone que são desmoduladas e extrai-se a
informação sobre o seu posicionamento. De seguida, o segmento terrestre reenvia
ondas moduladas com informações do trajeto ou destino pretendido que são
desmoduladas pelo drone e este segue as informações enviadas.
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5. Prós e contras
A utilização de drones nunca teve uma opinião pública homogénea,
principalmente na sua utilização militar.
Por um lado, é reconhecida a segurança das forças armadas ao utilizarem estes
aparelhos, mas, por outro, também se devem considerar a quantidade de acidentes
ocorridos que envolveram a perda de vidas humanas civis. Contudo, é impossível
negar que os drones reduziram a perda de vidas humanas, visto não serem tripulados.
O drone apresenta muitas mais vantagens: o seu custo é reduzido, quando
comparado a outros veículos utilizados por forças militares; os riscos são menores,
tanto por poderem ter um tamanho menor, como também pela possibilidade de voarem
a uma altitude mais baixa do que aviões ou helicópteros; são capazes de atuar durante
um maior número de horas; são consideravelmente mais precisos, o que permite uma
redução dos danos colaterais. Todas estas vantagens tornaram os drones um dos
mecanismos preferidos para missões de espionagem, devido à sua facilidade de
“camuflagem” e de manterem os oficiais em maior segurança. Consequentemente, a
sua produção tem verificado um crescimento exponencial nos últimos anos.
Por outro lado, tal como já foi referido, também há civis vítimas de ataques de drones, e
habitantes que testemunharam ataques sofrem de stress pós-traumático, vivendo,
consequentemente, com o medo constante de serem, mais uma vez, vítimas de um
ataque. Em países onde a guerra é mais frequente, estes veículos já foram
considerados armas de terrorismo:
“Nós consideramos drones terrorismo. Os drones voam dia e noite, assustam
mulheres e crianças e incapacitam pessoas de dormir. Isto é terrorismo.” (Chefe tribal do
Yemen, Mullah Zabara).
“Uma região inteira está a ser aterrorizada pela constante ameaça de morte pelos
céus, o seu modo de vida está a desaparecer: crianças estão aterrorizadas de ir à
escola, adultos estão com medo de ir a casamentos, funerais, reuniões de negócios, ou
qualquer evento que envolva juntar-se num grupo.” (Clive Stafford Smith, diretor dos direitos
humanos de a organização sem fins lucrativos Reprieve).
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Além disso, os ataques dos drones violam a lei internacional, pois “...envolve o
uso de força no território de outro país sem o seu consentimento.” (Ben Emmerson, ONU).
É também condenável o modo como os drones distanciam ambas as forças
envolvidas (os que desenvolvem o ataque, como os que o sofrem), o que deixa com
que a força militar se afaste ainda mais das ações humanas, embora, neste caso, seja
subjetivo, uma vez que este distanciamento tanto pode ser considerado algo bom, pois
diminui o risco de vida, como algo mau pois deixa de haver contacto direto entre os
militares e os outros civis. [42] [43] [44]
Ainda que a maioria dos drones sejam reconhecidos para fins bélicos há muitas
outras utilizações, tal como:
• Em eventos desportivos são utilizados drones para seguir certas provas ( nos
jogos olímpicos de inverno de 2014 nas provas de ski e snowboard);
• Alguns drones facilitam a procura de petróleo, ao ler a natureza de rochas e
ajudando assim a prever possíveis locais onde existam jazigos minerais de petróleo;
• Noutros casos, em regiões inacessíveis, podem “entregar” medicamentos,
vacinas ou quaisquer outros produtos necessários à sobrevivência humana;
• Em eventos musicais, como concertos e festivais, é usual sobrevoarem drones
sobre a plateia, quer a filmar o concerto ou mesmo os ouvintes;
• Também na detecção de incêndios florestais, os drones podem participar
ativamente, a ler fators que influenciam a propagaçãoo do fogo (velocidade e direção
do vento, temperatura, etc);
• Entrega de comida (no reino unido na marca de pizzas Domino’s).
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6. Curiosidades:
As regras francesas param o uso de
drones
Em consequência das polémicas criadas em torno do uso destes veículos,
certos países criaram leis que condicionam as suas utilizações. Neste caso, Eric
Bregeri (fundador da iDrones.TV), citou num blog brasileiro sobre tecnologias, o
Tecnoblog, uma síntese da legislação francesa para o uso dos drones: “São regras de
aeromodelismo mais detalhadas, que tratam de como a aeronave deve ser pilotada.”
(Eric Bergeri).
“Caso 1: Voo até 100 m horizontal. Sempre pilotar com o drone dentro do campo de
visão, sem pessoas por perto. Voos até 150 m de altura são permitidos, sempre fora
dos espaços com regulamentação própria (aeroportos, corredores aéreos, etc).
Caso 2: Voo até 100 m horizontal, em campo, com pilotagem FPV (first person view,
feita através de uma câmera que vai mostrar o que o drone “vê”). Voos até 50 m de
altura, 1 km horizontal, fora dos espaços onde há regulamentação.
Caso 3: Voo até 100 m horizontal, sempre olhando o drone, com pessoas ou animais
por perto, ou em meio urbano. Voos até 150 m de altura, fora dos espaços com
regulamentação. O drone não pode pesar mais de 4kg e ter energia superior a 69
Joules, no caso de impacto com o chão.” (Eric Bergeri)
Nos casos 2 e 3, os equipamentos precisam de ser previamente aprovados
pelas autoridades francesas, e é, inclusive, necessária uma autorização para sobrevoar
pessoas, animais e áreas residenciais. Em todos os casos, o piloto precisa de um
diploma teórico de pilotagem de aparelhos tipo ultraleve. [45]
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Síntese do Conhecimento: O papel
da Engenharia Mecânica nos Drones
Os engenheiros mecânicos assumem um papel fulcral na concepção dos
drones.
Segundo a definição, um engenheiro é uma pessoa com formação técnico-
científica capaz de resolver problemas tecnológicos, práticos e muitas vezes
complexos, ligados à concepção, realização e implementação de produtos, sistemas ou
serviços. [46]
No caso específico dos drones, os engenheiros (mecânicos) fazem parte do
trajeto que se inicia muito antes da concretização física deste. O engenheiro mecânico
intervém juntamente com engenheiros de outras áreas (electrónica e computação por
exemplo), na projecção mecânica.
A projeção mecânica, uma projeção teórica dos constituintes mecânicos do
drone (motor, hélices, placa de distribuição, entre outros), antecede a construção física
do multirotor (protótipo). Juntamente com outros engenheiros, nomeadamente da área
dos materiais, selecionam os materiais com características de interesse para as
funções que o veículo está destinado. Depois de passar da teoria à prática, o
engenheiro mecânico tem como função analisar os eventuais erros, para que possa ser
feita a produção deste modelo. Mas o papel deste individuo ou conjunto de indivíduos
não termina aqui, pois, têm também o papel de prever a produção e, mais tarde,
controlar a mesma.
Devem também manter-se atualizados à evolução tecnológica e se necessário
adaptarem os seus drones às tecnologias recentes.
Em suma, os engenheiros mecânicos são uma das ‘bases’ fundamentais para o
sucesso da construção dos drones, pois sem o seu estudo e trabalho árduo não seria
possível obter um produto final em boas condições.
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Considerações Finais
A elaboração deste projeto deu aso a uma aprendizagem e consolidação de
conceitos acerca dos VANT, em particular dos drones. Foi realizada pesquisa sobre
conceitos como os métodos de produção e fabrico de drones, sobre vários
constituintes, o seu método de propulsão, a sua autonomia, a forma como estes se
orientam e prós e contras da sua utilização nos dias que correm.
Na verdade, os drones são máquinas extremamente evoluídas a nível
tecnológico, na medida que a criação destes permitiu enormes avanços na ciência,
onde são utilizados, por exemplo, para estudos meteorológicos, em produções
cinematográficas, produções estas filmadas por câmaras colocadas em drones, etc.
Analisaram-se, ainda, os materiais utilizados para a construção dos seus
constituintes, verificando-se que, indubitavelmente, o material de eleição nas peças
mais simples e leves, como por exemplo, as hélices e o frame, é a fibra de carbono.
Esta fibra, apesar de ter um custo mais elevado que a fibra de vidro e metais como aço
e alumínio, é a escolhida para a produção destas peças, graças à sua resistência e
baixa densidade.
Existe uma grande polémica sobre a utilização dos drones a nível
comercial/lúdico, apesar das enormes vantagens que estes trouxeram e dos problemas
que vieram resolver, uma vez que estes podem ser considerados como uma invasão à
privacidade do ser humano, já que os multirotores podem possuir câmaras fotográficas/
vídeo, o que leva a um certo descontentamento por parte da população.
A nível militar, os drones são uma mais-valia para as forças armadas, visto que
com, eles, o trabalho dos pilotos é facilitado e a sua vida não é posta em risco da
mesma forma que seria se estes não existissem. A sua utilização bélica traz, também,
a vantagem de ser possível voar ininterruptamente, o que não seria concebível se
dentro do avião estivesse um piloto.
Sintetizando, o surgimento dos drones na nossa sociedade trouxe inúmeras
vantagens e veio resolver imensos problemas e facilitar as mais diversas tarefas do
quotidiano. Estes são uma mais-valia para o mundo atual e um verdadeiro instrumento
de guerra para as forças armadas.
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No entanto, a sua utilização incorreta pode ser bastante inconveniente e causar
sérios problemas na sociedade.
A nosso ver, este campo da engenharia mecânica e da tecnologia irá evoluir
exponencialmente nos próximos anos e abrirá portas à sociedade nunca antes vistas.
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Retirada a 21 de outubro de 2014
Drones – Veículos Aéreos Não Tripulados
Unidade Curricular: Projeto FEUP; Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica 39
[42]- 2014. ProCon. “Drones Pros and Cons”. URL: http://drones.procon.org/. Acedido a
12 de outubro de 2014
[43]- Science Direct. “The regulation of civilian drones' impacts on public safety”. URL:
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0267364914000594. Acedido a 12 de
outubro de 2014
[44]- 2013. Jornal Hora do Povo. “Relator da ONU: guerra dos drones viola lei
internacional e soberania”. URL: http://www.horadopovo.com.br/2013/03Mar/3136-22-
03-2013/P7/pag7c.htm#. Acedido a 13 de outubro de 2014
[45]- LAFLOUFA, Jacqueline. 2013. Tecnoblog. “Tudo sobre drones, os robôzinhos
voadores que fazem mais parte da sua vida do que você imagina”. URL:
https://tecnoblog.net/135789/tudo-sobre-drones/. Acedido a 13 de outubro de 2014.
[46]- SP, Hugo. 2010. Dicionário informal. “Engenheiro”. URL:
http://www.dicionarioinformal.com.br/engenheiro/. Acedido a 15 de outubro de 2014