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O LIVRO DOS DRONES: UM GUIA COMPLETO PARA ENTENDER TODAS AS PARTES E FUNCIONAMENTO //---------THE DRONES BOOK: A COMPLETE GUIDE FOR UNDERSTANDING ALL PARTS AND OPERATION

Authors:

Abstract and Figures

A utilização de Sistemas de Aeronaves Remotamente Pilotadas (SARP, ou no inglês, RPAS–Remotely Piloted Aircrat Systems) faz parte do cotidiano, a nível global, ora pelo seu uso recreativo ora profissional. Em nível profissional, os RPAS constituem uma parte importante e cada vez mais influente no rumo de pesquisas e análises para projetos em inúmeras áreas. Ressalta-se que a indústria de fabricação dos RPAS, dia após dia, traz ao mercado inúmeras plataformas e sensores, cada vez mais específicos para cada nicho de mercado, propiciando assim, um número maior de usuários. Entretanto, mesmo que sua utilização tenha tido um crescimento em escala logarítmica nos últimos dez anos, a taxa de pessoas qualificadas para sua utilização não teve o mesmo crescimento. Diante desse fato,esse livro reúne informações relacionadas à experiência vivida por eles ao longo dos últimos anos no desenvolvimento de protocolos de processamento de imagens e acessórios eletromecânicos para utilização em RPAS. Além disso, traz informações relacionadas aos diversos manuais de operação dos RPAS, legislação vigente e uma série de informações e curiosidades dos fóruns de aficionados por essas tecnologias.Espera-se que ao final da obra, o seu leitor, tenha uma visão mais ampla de cada componente do RPAS e possa utilizá-lo de forma mais segura e consiga acompanhar o desenvolvimento tecnológico do setor com mais domínio de conteúdo.
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O LIVRO DOS DRONES
UM GUIA COMPLETO PARA ENTENDER TODAS AS PARTES E
FUNCIONAMENTO
Autores: Fernando Coelho Eugenio e Hugo Bolsoni Zago
FERNANDO COELHO EUGENIO
HUGO BOLSONI ZAGO
O LIVRO DOS DRONES:
UM GUIA COMPLETO PARA ENTENDER TODAS AS PARTES E
FUNCIONAMENTO
ALEGRE, ES
CAUFES
2019
Dados Internacionais de Catalogação-na-publicação (CIP)
(Biblioteca Setorial Sul da Universidade Federal do Espírito Santo, ES, Brasil)
Eugenio, Fernando Coelho, 1989-
E87l
O livro dos drones [recurso eletrônico]: um guia completo para
entender todas as partes e funcionamento / Fernando Coelho
Eugenio, Hugo Bolsoni Zago. - Dados eletrônicos. Alegre, ES :
CAUFES, 2019.
82 p. : il.
Inclui bibliografia.
ISBN: 978-85-54343-24-8
Modo de acesso: https://nuvem.ufes.br/index.php/s/3XZy Hy
4rb2LcCbP
1. Drones. 2. Inovações tecnológicas . I. Zago, Hugo Bolsoni,
1979- .
CDU: 629.73
Apresentação
A utilização de Sistemas de Aeronaves Remotamente Pilotadas (SARP, ou
no inglês, RPASRemotely Piloted Aircrat Systems) faz parte do cotidiano, a nível
global, ora pelo seu uso recreativo ora profissional. Em nível profissional, os RPAS
constituem uma parte importante e cada vez mais influente no rumo de pesquisas
e análises para projetos em inúmeras áreas. Ressalta-se que a indústria de
fabricação dos RPAS, dia após dia, traz ao mercado inúmeras plataformas e
sensores, cada vez mais específicos para cada nicho de mercado, propiciando
assim, um número maior de usuários. Entretanto, mesmo que sua utilização tenha
tido um crescimento em escala logarítmica nos últimos dez anos, a taxa de
pessoas qualificadas para sua utilização não teve o mesmo crescimento. Diante
desse fato,esse livro reúne informações relacionadas à experiência vivida por eles
ao longo dos últimos anos no desenvolvimento de protocolos de processamento
de imagens e acessórios eletromecânicos para utilização em RPAS. Além disso,
traz informações relacionadas aos diversos manuais de operação dos RPAS,
legislação vigente e uma série de informações e curiosidades dos fóruns de
aficionados por essas tecnologias.Espera-se que ao final da obra, o seu leitor,
tenha uma visão mais ampla de cada componente do RPAS e possa utilizá-lo de
forma mais segura e consiga acompanhar o desenvolvimento tecnológico do setor
com mais domínio de conteúdo.
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO 6
CAPÍTULO 1 O SISTEMA 9
CAPÍTULO 2 CHASSIS OU FRAME 11
CAPÍTULO 3 CABOS, CONEXÕES E CONSUMÍVEIS 14
CAPÍTULO 4 HÉLICES 16
CAPÍTULO 5 MOTORES 24
CAPÍTULO 6 ELETRONIC SPEED CONTROL(ESC) 31
CAPÍTULO 7 BATERIAS 35
CAPÍTULO 8 CONTROLADORAS DE VOO 46
CAPÍTULO 9 RÁDIO CONTROLE E RECEPTOR 62
CAPÍTULO 10 SERVOS 66
CAPÍTULO 11 CÂMERAS 70
CAPÍTULO 12 REGRAS DE USO NO BRASIL 74
REFERÊNCIAS 80
Dados dos autores
Fernando Coelho Eugenio
Engenheiro Florestal, mestre e doutor em Ciências Florestais. É professor da
Universidade Federal de Santa Maria (UFSM) e professor do Programa de Pós-
Graduação em Engenharia Florestal da UFSM (PPGEF-UFSM) atua na temática
das Geotecnologias aplicadas aos RPAS. É coordenador do Laboratory of
Innovation,Development and Application of Remotely Piloted Aircraft Systems.
Hugo Bolsoni Zago
Engenharia Agronômo, mestre em Fitossanidade e doutor em Entomologia
Agrícola. É professor do Departamento de Agronomia da Universidade Federal do
Espírito Santo, com área de atuação Entomologia Agrícola e liberação de inimigos
naturais com uso de Sistemas de Aeronaves Remotamente Pilotadas.
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INTRODUÇÃO
De acordo com a Organização da Aviação Civil Internacional (OACI) os
“drones” são denominados RPAS (Remotely Piloted Aircraft Systems, ou em
português, Sistema de Aeronaves Remotamente Pilotadas). Assim como uma
grande parte da tecnologia existente, os RPAS foram concebidos inicialmente para
fins militares (EISENBEISS, 2004). Como é possível destacar no próprio nome, o
que diferencia esse sistema das aeronaves comerciais é a ausência de piloto
presente na aeronave, no entanto, em muitos casos faz-se necessário a presença
do operador em terra para pilotar a aeronave remotamente (EVERAERTS, 2008).
É importante destacar que as tecnologias presentes nos RPAS não são
recentes, entretanto, nos últimos anos ocorreu a popularização. As tecnologias
presentes nos RPAS vêm de muitos anos atrás, sendo os primeiros relatos do
século passado, onde a Áustria atacou a cidade de Veneza na Itália, usando
balões carregados com explosivos. Esses balões eram lançados de navios e
através de um fio de cobre acionavam a ignição dos explosivos, quando estes
estivessem sobre o alvo. Desde então os RPAS evoluíram principalmente para
fins militares, sendo usados durante a primeira e segunda guerras mundiais, na
guerra do Vietnam, Afeganistão e Iraque.
Atualmente com a popularização e crescente vendas para uso civil, os RPAS
ganharam espaço notável para a ocupação do espaço aéreo. Atualmente,
segundo dados do Sisant, em janeiro de 2019, estão cadastrados 62.048 RPAS,
sendo que deste total, 21.945 de uso profissional e 40.103 de uso recreativo.
Somente o estado de São Paulo possui aproximadamente 35% de todos RPAS
do País. A Figura 1 contém a distribuição do número de RPAS por estado no Brasil
para os anos de 2017 e 2018.
8
Figura 1 ‒ Número de RPAS registrados por estados do Brasil nos anos de 2017
e 2018.
Dentre os componentes que foram desenvolvidos durante essas guerras,
podemos destacar a criação do sistema de rádio controle, desenvolvido e
patenteado por Nikola Tesla, motores a combustão e elétricos, sistema de
giroscópios eletrônicos, piloto automático, Sistema de Posicionamento Global
(GPS), acelerômetros, entre outros.
Os avanços em tecnologia computacional, sistemas globais de navegação e
materiais mais leves para construção dos RPAS são alguns pontos responsáveis
pela grande evolução e maior desenvolvimento destes. Diversos países, como
Estados Unidos, Japão, Coréia do Sul, Austrália, França, Inglaterra, Itália,
Alemanha, Israel e África do Sul, merecem notável destaque pelo desempenho na
pesquisa e desenvolvimento de RPAS.
Atualmente essa tecnologia está disponível para uso civil, tendo diversas
aplicações entre as quais, podemos destacar: fiscalização ambiental, agricultura
de precisão, monitoramento de extração de minério, ocupação de áreas urbanas,
monitoramento de área de risco, entrega de mercadorias, transporte de pessoas
entre outros. Diversas empresas surgiram no mercado e sendo a empresa da sigla
DJI (-Jiāng Innovations Science and Technology) a atual líder do setor,
dominando aproximadamente 70% do mercado de RPAS para uso recreativo e
9
industrial, principalmente aeronaves de pequeno porte, abaixo de 25 kg de
peso máximo de voo.
Para uma correta operação e uso dos RPAS, é importante conhecer todos
os componentes estruturais e eletrônicos, bem como a correta configuração dos
aplicativos que irão gerenciar o voo desse tipo de aeronave. De um modo geral,
quando se fala de componentes estruturais e eletrônicos, deve-se ter a mente que
existem dois moldes de compras dos RPAS, sendo: RTF (Ready to Fly) e os
customizados. Os RTF, como o próprio nome traduz, são RPAS que saem de
fábrica pronto para o voo, o que dificulta adaptações de acessórios e/ou outros
componentes, uma vez que, todo o sistema está fechado para os itens que o
compõem. Por outro lado, os RPAS customizados, possuem os componentes e
os sistemas eletrônicos separados, o que permite adaptar e adequar acessórios
com mais facilidade, entretanto o operador deve ter conhecimento para montar e
configurar RPAS, devido a complexidade na escolha dos componentes
estruturais, eletrônicos e a configuração da controladora de voo. Todos os
hardwares e softwares de um RPA customizado deve estar em harmonia para
extrair o máximo de eficiência.
Diante do exposto, ratifica-se a importância do tema do presente livro, pois,
o entendimento dos componentes estruturais e eletrônicos que compõem os
RPAS está lado a lado como conhecimento de operação de um RPAS,ou até
mesmo mais elevado.
Entender como funciona o RPAS definirá quem irá seguir atuando no
mercado e quem não conseguirá, uma vez que, durante a operação pode
acontecer imprevistos passíveis de rápida resolução pelo operador, e essa
resolução impactará diretamente no rendimento operacional e econômico da
atividade. Deste modo, entender um pouco de cada componente e seu
funcionamento, não o tornará especialista em conserto de RPAS, mas, te
resguardará de prejuízos que poderão arruinar as operações com esses
equipamentos.
Este livro apresenta os principais componentes estruturais e eletrônicos que
compõem os RPAS multirrotores (decolagem vertical) e os asa fixa (decolagem
horizontal). Cada componente será estudado separadamente e em associação
com as diversas funcionalidades da aeronave.
10
CAPÍTULO 1
O SISTEMA
Ao imaginar o layout de um RPAS, provavelmente, será imaginado um RPAS
de asa fixa ou um multirrotor, entretanto, existem inúmeras plataformas e
combinações desses sistemas, por exemplo: 01 motor (similar a um helicóptero),
multirrotores de 3,4, 6, 8 ou mais motores e os híbridos que usam motores elétricos
e combustão combinados, dentre outros. Diante da infinidade de plataformas e em
busca do melhor entendimento didático, optou-se por apresentar neste livro os
layouts de um sistema multirrotor com quatro motores, disposto na Figura 1.1, e o
de asa fixa com um motor disposto na Figura 1.2.
Figura 1.1 ‒ Layout básico de um multirrotor de quatro motores
Ao analisarmos o layout básico do sistema multirrotor de quatro motores
apresentado na Figura 1.1, observa-se que da parte externa para a interna é
possível destacar a seguinte sequência de componentes: Hélice, Motor, ESC
(Electronic Speed Controller), Controladora, Receptor e Bateria. Essa sequência
é a base do sistema, é a responsável por receber a informação do operador por
meio de ondas de rádio e converte- la em sinal para que os motores executam o
movimento desejado. Nos próximos capítulos, abordaremos detalhadamente cada
11
um desses componentes.
Figura 1.2 ‒ Layout básico de um RPAS asa fixa de um motor.
Diferente da sequência de componentes demonstrada para o multirrotor, o
layout de um RPA asa fixa permite destacar a seguinte sequência de
componentes: Hélice, Motor, ESC, Controladora, Receptor, Servos e Bateria. Aqui
destaca-se o papel dos servos, que são os principais responsáveis pelos
movimentos desta plataforma.
Entretanto os componentes que podem ser observados nas figuras
anteriores vão além dos que foram citados, destaca-se também os que são
comumente utilizados como por exemplo: os conectores, a placa de distribuição
de energia, ogimbal, a câmera, a antena, o GPS, até mesmo o próprio corpo de
sustentação do RPA denominado chassis ou frame.
Cada um desses componentes será abordado nos capítulos subsequentes,
todavia, iniciaremos com os componentes responsáveis por integrar todo o
sistema e levar dados, energia os cabos e conexões.
12
CAPÍTULO 2
CHASSIS OU FRAME
Os motores, hélices, bateria e demais componentes devem ser fixados
numa estrutura física ou em uma armação que é denominada chassis ou frame.
O frame é a estrutura que mantém todos os componentes juntos no RPAS, este
fornece o suporte necessário para a fixação dos componentes. Portanto, o frame
precisa ser projetado para ser resistente e rígido o suficiente, minimizar vibrações
geradas pelos motores, assim como, deve ser leve, pois, caso contrário, será
necessário utilizar componentes mais custosos, como motores mais potentes e
baterias com maior capacidade de carga, consequentemente mais pesadas.
O frame dos RPAS multirrotores é formado por uma região central onde se
acoplam os braços e onde ficam fixados os sensores, a controladora de voo e as
baterias. Nas extremidades dos braços são acoplados os motores e, para algumas
configurações, necessita-se de suportes para os motores, como pode ser
observado na Figura 2.1. Os frames são comercializados de acordo com a
distância do eixo diagonal da aeronave,por exemplo, o quadrirotor 450, apresenta
450mm de distância entre os motores opostos, portanto,a escolha do frame,deve
considerar o peso máximo de decolagem, tamanho dos motores e hélice que irão
ser acoplado no frame.
Figura 2.1 ‒Framedo multirrotor F450. Fonte: https://www.dji.com/br/flame-wheel-arf
13
De uma maneira geral os frames são construídos em plástico, fibra de vidro,
fibra de carbono, alumínio ou madeira. A fibra de carbono é o material rígido e leve
capaz de absorver vibrações, no entanto, é o material de custo elevado. O uso
de trilhos ou tubos de alumínio também é comum porque não são muito caros,
sendo relativamente leves e rígidos,entretanto,não absorvem tão bem as
vibrações dos motores, o que pode contribuir para a ocorrência de erros nas
leituras dos sensores usadas pelo sistema de navegação e até mesmo a queda
do RPAS.
Em relação aos RPAS de asa fixa, de modo geral os frames são construídos
com outros materiais além dos citados anteriormente, em alguns casos a aeronave
pode possuir vários materiais distribuídos em toda a estrutura, como isopor, EPO
(Poliolefina Expandida) conforme Figura 2.2, EPP (Polipropileno Expandido),
plástico ABS,Kevlar, fibra de carbono, filme plástico (comercialmente chamado
MONOKOTE), nylon, fibra de vidro, madeira e alumínio. A distribuição desses
materiais na estrutura da aeronave está de acordo com as características do
material, entre as quais, preço, torção, rigidez, leveza entre outros.
Figura 2.2 Frame do RPA asa fixa Skywalker constituído de EPO.
Fonte:http://www.f-hobby.com/2017-skywalker
14
CAPÍTULO 3
CABOS, CONEXÕES E CONSUMÍVEIS
Os cabos e conexões possuem três funções básicas nos RPAS: transmitir
dados vindos do operador, transmitir a energia oriunda das baterias e unir todos
componentes de forma integrada.Como praticamente em todos os sistemas
eletrônicos, alguns usuários devem dar a devida importância a esses
componentes, caso contrário pode gerar prejuízos financeiros oriundos de perdas
no sistema. Como exemplo, temos quedas de RPAS devido à fixação da fiação
no frame da aeronave. Chassis de fibra de carbono possuem extremidades
cortantes que podem danificar o isolante dos fios ou até mesmo corta-los por
completo.
Com relação aos cabos, a maioria das peças que necessitam ser conectadas
ou soldadas no sistema já saem de fábrica com os cabos já instalados com um
determinado comprimento que facilita na junção e integração do sistema. Em
contrapartida, quando pretende-se desenvolver o RPAS para fins específicos a
preocupação com os cabos deve ser constante e a escolha do mesmo deverá
obedecer às especificações de cada componente que será adaptado,
principalmente em relação a espessura dos cabos.
Os conectores são utilizados para integrar, diversos componentes presentes
na RPAS, como exemplos, bateria ao ESC, ESC ao motor e controladora de voo,
controladora de voo ao receptor, câmera ao transmissor de vídeo entre outros
componetes. Importante que os conectores sejam adequados para a espessura
dos fios onde serão soldados, sendo importante verificar a especificação do
conector, pois conectores pequenos podem gerar perdas por aquecimento e
conectores grandes podem contribuir com peso e ocupação de área interna da
aeronave. Escolha do tipo de conector a ser utilizado é um dos grandes
problemas, não existe um padrão, mas mesmo assim, alguns proprietários de
RPAS preferem determinados conectores, principalmente para baterias.
Os mais comuns usados em baterias, são os conectores EC5, EC3, XT60,
T, XT90 e o sante faísca. No entanto, os conectores para alimentar componentes
de baixo consumo e transferência de dados seguem um padrão mundial, utilizando
15
os conectores de extensão de servos do tipo Futaba ou tipo JR. A diferença entre
os mesmos é apenas uma borda presente no conector tipo Futaba, que evita a
conexão invertida e ajuda na fixação do conector ao componente eletrônico, como
pode ser observado na Figura3.1.
Figura 3.1 Conector padrão Futaba e JR
Fonte: https://futabausa.com/product-category/accessorie
Assim como os cabos, deve-se atentar a esses conectores, uma vez que
dependendo do país do fabricante, mudará o tipo, material e formato desse
componente, como pode ser visualizado na Figura3.2.
Figura 3.2 Tipos de conectores
Fonte: (https://futabausa.com/product-category/accessories/). Adaptado pelo autor.
Existem também os componentes consumíveis, sendo o mais importante
deles a solda, sendo a mais utilizada em componentes eletrônicos a Liga de
Estanho. Conforme destacado por Demolinari (2016), apesar de haver tendência
16
dos fabricantes de oferecerem produtos já acoplados aos seus respectivos
conectores, muitos componentes são vendidos na forma mais simples, o que leva
o usuário soldar os próprios conectores, sendo que essa necessidade de se
‘modificar’ os produtos oferece vantagens como a de se adaptar ao projeto em
desenvolvimento e desvantagens como a dificuldade da troca de componentes
que venham a sofrer algum dano. Usuários sem experiência com solda podem
ocasionar danos nos componentes durante o processo de soldagem devido ao
excesso de aquecimento e ou realizar uma solda ruim, podendo ocasionar o
rompimento do local soldado durante a operação com o RPAS.
Outro componente consumível importante, e o adesivo de fixação de
parafuso, conhecido como trava rosca. Este é utilizado em praticamente todos os
parafusos de um RPAS, pois, com vibração e rotação dos motores, esse adesivo
auxilia no travamento, evitando que o parafuso solte do local instalado. Existem
no mercado diversos tipos,entre os quais estão os de baixo, médio e alto torque.
Durante a utilização desses adesivos, devemos colocar na quantidade certa para
não exceder o travamento dos parafusos, caso contrário, quando houver
necessidade, terá dificuldade para remove-los.
Outros materiais e componentes integram a estrutura de um RPAS, como
por exemplo: anéis de vedação, parafusos, porcas, meshguard para proteção de
fios, isolante termo retrátil, presilha do tipo gravata. Cada um desses deverá ser
bem analisado e utilizado para organização dos componentes e fiação para
integração no sistema.
17
CAPÍTULO 4
HÉLICES
Para melhor entendimento do próprio conceito de hélice e as características,
se faz necessário pensar na seguinte sequência de componentes: bateria, motor
e hélice. Ao analisar de forma simplificada têm-se que a bateria fornece a
energia,o motor transforma a energia em movimento e, como a hélice está ‘fixa’
no eixo do motor, a hélice gira. Apesar da sequência descrita ser muito simples, é
fundamental para entender a hélice, pois, é por ter a hélice nesse sistema que
haverá o deslocamento, ou seja, se houver apenas bateria e motor o sistema não
‘sairá do lugar’ e isso leva-se a dedução da importância da hélice no sistema: a
movimentação.
Em definição, hélice é um conjunto de pás conectadas ao cubo central
(FIGURA 4.1). As pás são em formato de asa, ou seja, possuem perfil
aerodinâmico capaz de gerar sustentação. Durante o movimento de rotação da
hélice, o perfil aerodinâmico das pás produz força obedecendo ao princípio de
Bernoullie à 3ª lei de Newton, criando diferença de pressões entre ambas as
superfícies das pás, gerando empuxo.
Figura 4.1 Hélices com diferentes conjuntos pás.
18
4.1 CONCEITOS IMPORTANTES
4.1.1 Seção
As hélices são constituídas por pás, uma pá, assim como todo perfil
aerodinâmico, possui seções: parte ventral, denominada cambra inferior, parte
dorsal denominada cambra superior, corda representa a distância entre o bordo
de ataque e o de fuga, conforme pode ser visualizado na Figura 4.2.
Figura 4.2 Seções de uma pá de hélice.
O bordo de ataque é a parte frontal da hélice que recebe o primeiro impacto
do ar durante o deslocamento e o bordo de fuga é a parte traseira da hélice, por
onde o ar escoa.
4.1.2 Ângulo da
O ângulo de uma pá de hélice é dado em graus, determinado pelo ângulo
entre a corda da pá e o plano de rotação da hélice, em outras palavras, pode-se
dizer que é a inclinação da pá da hélice em relação ao plano rotacional, sendo
este determinante para o passo, pois quanto maior o ângulo maior será o passo
da hélice. Vale ressaltar que a velocidade de rotação da hélice é menor do centro
19
para a borda da pá.Uma hélice de boa qualidade tem o ângulo da pá variando de
acordo com a velocidade em todas as seções da pá, como também variações na
área da pá, ou seja, da base para a região distal da pá, conforme pode ser
visualizado na Figura 4.3, isso distribui de maneira igualitária a força em todas as
seções das pás.
Figura 4.3 Variação do ângulo da pá em uma hélice Fonte: Martins (2019)
4.1.3 Passo
É a distância percorrida pela hélice em uma evolução, conforme pode ser
visualizado na Figura 4.4. Destaca-se que existem dois tipos de passos, o passo
teórico, que é a distância que uma hélice deveria avançar em uma evolução e o
passo efetivo, que é a distância real percorrida por uma evolução da hélice.
Lembrando que existem também hélice de passo variável, que de acordo com as
condições atmosféricas e velocidade da aeronave podemos adequar o passo para
melhorar a eficiência. Isso pode ser usado em RPAS de grande porte, acima de
150kg, com motores a combustão.
20
Figura 4.4 Passo da hélice.
4.1.4 Recuo
O recuo da hélice é a diferença entre o passo teórico e o passo efetivo da
hélice. A Figura 4.5 evidencia os dois tipos de passos e o recuo.
Figura 4.5 Recuo e os passo teórico e efetivo de uma hélice.
4.1.5 Diâmetro
O diâmetro e a circunferência projetada da hélice ao completar o giro. É
importante destacar que, ao aumentar o diâmetro ou o passo da hélice, irá gerar
mais empuxo resultando em maior consumo de corrente elétrica, ou seja, se
assumirmos que a rotação por minuto é constante, o aumento da área de
superfície e arraste leva maior quantidade de ar movida e mais energia será
necessária para girar, portanto, apesar de se conseguir maior empuxo,
21
necessitará de mais potência.
Desse modo, é importante que a hélice seja adequada para o motor, bem
como para a bateria que será usada.Os motores elétricos de RPAS trabalham
numa faixa de voltagem pré-estabelecida. Para cada voltagem que alimenta o
motor, teremos rotações diferentes, medida em “Rotações Por Minuto” (RPM).
Isso associado aos diferentes diâmetros e passos da hélice, gera diferenças de
empuxo para o motor efetuar o trabalho. Devemos adequar as dimensões das
hélices de acordo com a capacidade do motor e voltagem da bateria. Hélices não
adequadas podem gerar um excesso de aquecimento para o motor ou ESC,
podendo danificar esses componentes, bem como os rolamentos do motor.
Deforma contrária, uma hélice pequena não irá gerar a eficiência de trabalho
desejada.
4.2 Tipos de hélice
Existem diferentes tipos de hélices e esses estão relacionados aos tipos de
passos que essa hélice possui, pode-se citar as hélices com passo ajustável no
solo, passo variável, automáticas, passo reversível, passo bandeira e passo fixo.
De modo geral as hélices de multirrotores e de asa fixa são do tipo passo
fixo.Este tipo de hélice, conforme o próprio nome já diz, não possui variação do
ângulo de suas pás, como consequência imediata não varia o passo. São
fabricadas com um passo pré- determinado, sendo empregada em aeronaves de
baixa performance que voam a uma altitude limitada.
4.3 Material
As hélices podem ser fabricadas com diversos tipos de materiais, com
características particulares, entres as quais, de madeira, fibra de carbono, fibra de
vidro, policarbonato, ligas de plástico, nylon e combinação desses materiais
citados. Cada componente apresenta certas vantagens e desvantagens.
Importante é a melhor adequação para o tipo de motor que está sendo utilizado.
Geralmente os fabricantes de motores indicam qual tipo de hélice é mais
adequada para o motor. Por exemplo, fibra de carbono e madeira são mais rígidos
e fornecem melhor desempenho, por outro lado, certos compostos de plástico são
22
leves, resistentes a impactos e evitam vibrações durante o voo.
4.4 Balanceamento
A vibração é problema para RPAS, podendo danificar desde
parafusos,rolamentos dos motores, estrutura do frame, interferir no funcionamento
correto da controladora de voo e câmeras. As causas de vibração são diversas,
entre as quais, estão parafusos frouxos, motores de combustão interna,
rolamentos de motores danificados e hélices desbalanceadas.
O desbalanceamento de hélice origina-se, de maneira geral, devidos às
imperfeições da fabricação ou dos materiais, pode ocorrer também durante a
utilização, como por exemplo, uma pequena queda da aeronave e que não foi
suficiente para quebrar a hélice, apenas fez uma pequena deformação da
estrutura. Os sintomas de hélice desbalanceada são, principalmente, ruído
excessivo do RPAS e aumento das vibrações, diminuindo assim a eficiência do
conjunto.
A hélice desbalanceada está com variação do centro de massa, portanto,
para correção, ou seja, o balanceamento é necessário usar métodos que auxiliem
na aproximação do centro de massa ao eixo de rotação. Esse movimento de
massa é realizado por meio da uniformização dos pesos das pás que compõem
as hélices, na Figura 4.6 é apresentado o suporte para balanceamento da hélice.
Para equilibrar o sistema, devemos retirar peso da pá mais pesada ou
adicionar peso na pá mais leve. Caso a diferença de peso seja pequena, podemos
equilibrar fazendo desgaste com uma lixa fina na região distal da pá mais pesada
ou adicionar fitas adesivas na pá mais leve.
󰼱 Caso uma das pás esteja mais pesada à oposta, está sempre irá ficar para
baixo.× 3) é uma hélice de 3 pás de 5 ″ que tem um passo de 4 polegadas.
23
Em RPAS de grande porte onde a hélice tem valor monetário significativo,
podemos adicionar chumbo na mais leve através de orifícios feitos na superfície
da mesma.
Figura 4.6 Balanceador de hélice Tru-Spin DUB 499.
Fonte: (http://storehobbies.com.br/dubr-499-499-balanceador-de-helice-tru-spin.html)
󰼱 É importante saber: 󰼱
Existe forma de se ler as especificações das hélices, basicamente são utilizados
dois formatos:
L x P x B ou LLPP x B Sendo
que: L: comprimento, P: pitch, B: número de lâminas.
Por exemplo, as hélices 6 × 4,5 (também conhecidas como 6045) têm 6 polegadas
de comprimento e têm um passo de 4,5 polegadas. Outro exemplo, 5x4x3 (às vezes
5040
× 3) é uma hélice de 3 pás de 5 ″ que tem um passo de 4 polegadas.
󰼱 Quando a diferença de peso é muito grande entre as pás, devemos substituir
a hélice.
󰼱 De acordo com o sentido de rotação do motor é preciso ficar atento ao sentido
de rotação das hélices, que também devem ser a mesma rotação do motor.
24
󰼱 É importante saber: 󰼱
uma relação direta entre hélices e motores, portanto, busque
informações sobre dados de testes de propulsão do motor e veja quais hélices
funcionam melhor como motor que você planeja usar.A mesma hélice pode se
comportar de forma muito distinta em 2 motores, devido ao design, torque,
potência,etc.
󰼱 É importante saber: 󰼱
Em um quadricóptero existem 2 pares de hélices distintos, o que os
distingue são os bordos de ataque que são opostos. Ao colocar as hélices em um
quadricóptero os pares serão cruzados em forma de ‘X’, pois assim, o RPAS
levantará voo, caso contrário, o RPAS funcionaria como um potente ventilador de
4 hélices e não sairia do lugar.
25
CAPÍTULO 5
MOTORES
Basicamente existem dois grandes segmentos de motores em RPAS:
motores elétricos( produzem movimento a partir da energia fornecida por baterias
ou geradores) e motores a combustão (produzem movimento mecânico por meio
da queima de combustível). Este capítulo abordará apenas o segmento dos
motores elétricos.
Os RPAS, na grande maioria, possuem motores elétricos, que convertem
energia elétrica em energia mecânica, o que possibilita o movimento das hélices,
e consequentemente o voo. Como os motores possuem diversas características,
torna-se importante conhecer sua constituição (FIGURA 5.1) e os principais tipos
de motor elétrico existente no mercado. Dentre os motores elétricos existentes,
temos: motores coreless, motores brush e brushless, este último podendo ser
outrunner ou inrunner.
Figura 5.1 Constituição básica de um motor elétrico.
Fonte: (https://www.citisystems.com.br/motor-cc/)
5.1 Motor Elétrico Coreless
Os motores coreless utilizam rotor que não possui núcleo de metal, ou seja,
são motores de corrente contínua cujas bobinas são enroladas em torno de si
mesmas e o ímã fica dentro desta bobina. Deste modo, o cobre fica enrolado
entorno de si, colado por resina ou cola para dar o sustento e forma, ou, usam
materiais super leves para servirem de forma.
26
Vantagens
Desvantagens
Suave: como não tem núcleos de
materiais ferrosos, são literalmente
mais leves;
Velocidade e consumo de arranque
muito baixos;
Rápido para a inversão do sentido de
rotação;
Alta eficiência, acima de 85%quando
comparado ao motor escovado;
Aceleração e desaceleração rápida;
São pequenos e compactos;
Longa durabilidade e baixo consumo
de energia;
Geram baixo ruído elétrico.
Os motores Coreless tem menos
torque que os Cored, pois, a função do
núcleo, além de sustento da bobina, é
aumentar a intensidade do campo
magnético gerado pela bobina.
Os motores corelesssão muito empregados em equipamentos que
necessitam de rápida resposta de aceleração como em servos e em micro drones,
por serem mais leves do que os motores com núcleo de metal (Figura 5.2).
Figura 5.2 Componentes do motorcoreless.
Fonte: (https://studylib.net/doc/18816589/coreless-dc-motors). Adaptado pelo autor.
27
5.2 Motor Elétrico Brush
O motor elétrico brush (motor com escovas), é um motor de corrente contínua
geralmente utilizado em componentes, como servos e pequenos drones, sendo
que o funcionamento basicamente baseia-se em escovas de carvão que
transferem a eletricidade para as bobinas presentes no motor através do
comutador mecânico. São considerados de baixa eficiência, quando comparados
aos motores coreless e os motores brushless (motor sem escovas).
Vantagens
Desvantagens
Inúmeros fabricantes e modelos;
Encontra-se motores com praticamente
qualquer torque-velocidade-potência;
Velocidade de rotação limitada a
voltagem máxima aplicada;
Possuem baixíssimo custo de
construção;
Velocidade de rotação do rotor é
proporcional à corrente aplicada.
Alta inércia (baixa relação
torque/inércia);
Alto peso (baixa relação torque/peso);
Desgaste das escovas, manutenção
periódica;
Exige controle com realimentação
(acionador com controlador);
Exige sensor de velocidade/posição
angular;
Produzem arcos voltaicos e faíscas
devido à comutação de corrente por
elemento mecânico e necessidade de
medidas especiais de partida, mesmo
em máquinas pequenas.
5.3 Motor Elétrico Brushless
Ao contrário dos motores brush, os motores brushless são motores de
corrente contínua e não possuem escovas nem comutador mecânico, isso
contribui para maior eficiência. Geralmente são constituídos com ímãs
permanentes ligados a um eixo ou um cilindro rotativo, que são empurrados e/ou
puxados por campos eletromagnéticos dos enrolamentos elétricos, sendo
28
gerenciado por um controlador eletrônico de velocidade (ESC).
No motor brushless, a inversão da polaridade é realizada por um arranjo de
transistores de comutação de potência de modo sincronizado com a posição do
rotor. Portanto, os brushless frequentemente incorporam sensores de posição
internos ou externos para detectar a posição real do rotor. Em alguns casos, a
posição do rotor também pode ser detectada sem sensores.
Existem dois tipos de sensores utilizados nos motores brushless, os
sensored'seossensorless, sendo que o segundo são os mais usados. Estes
sensores, basicamente reconhecem a posição do indutor (neste caso os imãs) e
informam ao circuito de controle o que deve fazer para o motor manter o
sincronismo e melhorar o rendimento. A Figura 5.3 exemplifica um motor
brushless.
Figura 5.3 Representação do motor elétrico brushless
Fonte: (LENZ, 2015). Adaptado pelo autor.
Vantagens
Desvantagens
Não faíscas e muito menos ruído
elétrico;
Não há escovas para desgastar;
Com os eletroímãs no estator, são
muito fáceis de resfriar;
Pode ter muitos eletroímãs no estator
para um controle mais preciso;
Alto o custo do motor devido ao ESC;
Exigem acionador com controlador
(possuindo elementos
eletrônicossofisticados);
Exigem sensor de velocidade/posição
angular;
29
Possuem controle pela comutação
eletrônica das fases, eliminando o uso
das escovas, que consequentemente
possuem alta durabilidade
comparados com os motores elétricos
com escovas.
5.3.1 Motor elétrico brushless outrunner
Os motores brushless outrunners são motores em que o eixo fica fixo e a
parte externa é que gira, ou seja, a carcaça do motor se movimenta enquanto o
eixo é estacionário, sendo muito comum nos motores brushless. Este design
permite uma rotação (RPM) relativamente baixa e um torque muito alto,
eliminando a necessidade de por caixa de câmbio (gearbox).
Na concepção do brushless outrunner, os enrolamentos estão localizados no
núcleo do motor. Portanto, os ímãs do rotor rodeiam os enrolamentos do estator,
sendo que os ímãs do rotoragem como um isolador térmico, reduzindo desse
modo a taxa de dissipação de calor do motor para o ar exterior. A Figura 5.4
exemplifica um motor brushless outrunner.
Figura 5.4 Representação do motor elétrico brushless outrunner
Fonte: (LENZ, 2015). Adaptado pelo autor.
30
5.3.2 Motor elétrico brushlessinrunner
Nos motores brushlessinrunner o eixo interno (rotor) gira e a carcaça do
motor fica parado,com a base fixada (estator). Portanto, o corpo do motor é fixo e
somente o eixo gira. Normalmente os motores inrunners não são utilizado sem
RPAS pelo o consumo de energia e aquecimento interno.
A principal vantagem de uma construção de rotor interno é a capacidade de
dissipar o calor. A capacidade de um motor para dissipar o calor afeta diretamente
a capacidade de produzir torque. Por esta razão, a maioria dos projetos de
motores elétricos utilizam um rotor interior. Outra vantagem de um design com
rotor interno é a menor inércia do rotor. A Figura 5.5 exemplifica um motor
brushless inrunner.
Figura 5.5 Representação do motor elétrico brushless inrunner.
Fonte: (LENZ, 2015). Adaptado pelo autor.
5.4 Conceitos Básicos para seleção de motores
Um dos principais conceitos que deve ser levado em consideração na hora
da escolha dos motores do RPAS é o Maximum Take-Off Weight(MTOW), em
português significa, peso máximo de decolagem. O peso máximo de decolagem e
o peso completo do RPAS, levando em consideração todos os componentes
essenciais e os específicos, como gimbal, câmera, dentre outros que poderão
estar acoplados. De uma maneira simplista, pode-se dizer que o motor deverá ser
capaz de fornecer o dobro de empuxo do que o peso de decolagem do RPAS. Se
o empuxo fornecido pelos motores for baixo, o RPAS não possui resposta efetiva
para o controle da aeronave, existindo dificuldades para decolagem, estabilidade
e pilotagem RPAS.
31
Outro fato importante na hora da escolha do motor é a eficiência, pois
motores menos eficientes desperdiçam grande quantidade de energia, possuem
baixa respostas de aceleração, geram ruídos elétricos que interferem na
controladora de vôo, GPS e bússola, os rolamentos são de baixa qualidade e com
o tempo geram folgas e vibrações, isso reduz diretamente a qualidade da
estabilidade da aeronave e no tempo de voo. A compatibilidade com o frame do
RPAS também deverá ser observada, uma vez que, é necessário pesquisar
motores cuja fixação ao frame seja possível, caso contrário não conseguirá fixar o
motor ao RPAS.
De forma geral, a escolha dos motores precisa ser harmônica com a
capacidade do frame e os objetivos da aeronave. Motores grandes demais e ou
pequenos demais, não serão efetivos e eficientes para os objetivos da aeronave.
Vale ressaltar também o custo de aquisição dos motores elétricos, pois, quanto
maior for a potência maior valor de mercado. Portanto, basicamente a escolha dos
motores pode depender de vários aspectos do projeto, como: autonomia da
bateria, a aplicação, o custo e a compatibilidade com o frame.
󰼱 A equação em questão seria: 󰼱
Empuxo por motor = (MTOW x 2) / n
Sendo que:
MTOW: peso máximo de decolagem
N: número de motores utilizados no RPAS
󰼱 EXEMPLO 󰼱
Para um quadricóptero (quatro motores) com peso máximo de
decolagem de 1kg, têm-se que o empuxo necessário para cada motor é de
500g. Totalizando 2kg de empuxo.
32
󰼱 É importante saber: 󰼱
De maneira geral, motores de maior dmetro possuem mais torque e
menor rotação, quando comparados aos motores menor diâmetro. Isso se
deve ao fato de que quanto maior o diâmetro, maior o braço de alavanca,
ocasionando maior torque. Um menor o diâmetro, ocasiona um aumento da
velocidade angular (RPM).
󰼱 O que significam os números escritos no motor?󰼱
Quando compramos motores elétricos nos deparamos com uma
sequência de números. Veja abaixo o significado de cada número:
33
󰼱É importante saber:󰼱
A classificação de motores elétricos se baseiam em KV, ou seja,
quantos RPM (K = RPM) por volt (V = por volt) o motor é capaz de produzir.
Então o índice Kv estabelece uma relação entre RPM máxima e voltagem de
alimentação, sendo que um motor elétrico de 900 KV alimentado por uma
bateria de 10 V, teria 9000 RPM.
EmtermosdeKV,umaregrasimplespodeserusada:emgeralusamosbaixo
KV (abaixo de 1000KV) para drones cujo objetivo é levantar peso; e alto KV
(acima de 1000KV) em drones menores, voltados para acrobacias ou corrida.
34
CAPÍTULO 6
ELETRONIC SPEED CONTROL (ESC)
Antes de iniciar no conceito de ESC, em português controlador eletrônico de
velocidade, e suas características se faz necessário pensar na seguinte sequência
novamente: bateria, motor e hélice. A bateria fornece energia, o motor transforma
a energia em movimento e, como a hélice está fixa no eixo do motor, a hélice gira.
Apesar da sequência descrita ser muito simples, é fundamental para
entender as funções do ESC. Este irá controlar a velocidade do motor gerenciando
a energia da bateria em função das informações recebidas do receptor e/ou
controladora de voo. Sem o ESC não é possível o controle da velocidade de
rotação do motor, portanto, a sequência correta que deve ser pensada a partir de
agora é: bateria, ESC, motor e hélice.
Cada ESC presente na aeronave é controlado independentemente por um
sinal PPM (pulse position modulation) enviado pelo receptor do rádio controle ou
da controladora de voo.
Em termos de hardware, o ESC é uma controladora para motores, que possui
uma entrada para a bateria e três saídas para as bobinas do motor. Além disso,
os ESC funcionam como um microcomputador, sendo que os mais completos
podem realizar diversas fuões entre as quais: proteção contra curto circuito,
proteção para bateria, freio de motor, proteção contra altas temperaturas e
voltagem, reconhecimento automático da voltagem da bateria, programação da
voltagem do BEC (BatteryEliminatorCircuit).
O tipo de motor de acordo com o número de bobinas, teste das bobinas do
motor, corte de motor, inicializar o motor de forma suave ou brusca, transição
suave ou rápida entre acelerações, limita aceleração, aceleração governada,
avisos sonoros quando algo está errado, armazenamento dos dados do voo entre
outros. A Figura 6.1 ilustra o ESC.
35
Figura 6.1 Representação do ESC
Alguns ESCs possuem de forma integrada no circuito eletrônico, cuja função
é diminuir a tensão da bateria ligada ao ESC e deixar a saída de energia do fio de
três vias com voltagem que pode ser especificada na programação do ESC de 5
a 8,5 volts. Isso serve para alimentar o receptor ou a controladora do RPAS. Vale
ressaltar que alguns ESCs não possuem BEC, e estes são denominados de
OPTO, (FIGURA 6.2).
Figura 6.2 Exemplo esquemático de um sistema com ESC OPTO
Quando utilizar esse tipo de ESC OPTO, devemos adicionar um BEC externo
na aeronave para suprir a alimentação da controladora de voo ou receptor. Assim,
os ESCs possuem capacidade de fornecer a quantidade de corrente que os
motores podem demandar e os inversores do ESC têm a capacidade de inverter
o sinal da tensão de suprimento, sendo possível, então, controlar tensões positivas
e negativas.
6.1 Características dos ESC
A escolha do ESC para compor a aeronave depende de várias
características, entre as quais, a capacidade do ESC em ampère para suportar a
exigência máxima do motor de acordo com voltagem que será usada e tamanho
da hélice.É aconselhável sempre escolher um ESC com no mínimo 30% a mais
36
de amperagem necessária, para demanda máxima do motor. Outro fator
importante é a interface, ou seja, a facilidade de programação, que significa que
alguns podem permitir o uso de diferentes sinais de faixa de frequência que outros.
󰼱 É importante saber:󰼱
As três conexões que saem do ESC podem ser conectadas no motor
em qualquer ordem. Para inverter a direção para a qual um motor está girando,
você precisa trocar de posição dois dos fios. Alguns ESCs é possível fazer
isso via programação.
󰼱 É válido salientar:󰼱
Para todo o conjunto ESC/BEC funcionar corretamente é necessária
uma programação que pode ser feita através de sinais sonoros, cartão de
programação do ESC e/ou através de aplicativo específico conectado a um
computador. É importante fazer os limites de aceleração entre rádio controle
e ESC, ou seja, definir os limites máximo e mínimo do acelerador do rádio para
o ESC reconhecer esses limites,processo chamado calibração do sistema
rádio/ESC.
37
󰼱Tipos de ESCs disponíveis: 󰼱
Linear BEC: Regulam a tensão, de modo que a placa controladora de voo e
o receptor de rádio possam ser alimentado com segurança.
Switching BEC: Similar ao BEC linear, mas usa como método para baixar
a tensão um regular chaveado.
OPTO: Esse ESC pode não possuir um BEC, o que pode exigir uma fonte
de alimentação extra para a controladora de voo e o receptor de rádio. No
entanto, oferecem maior proteção em função do isolamento opto-eletrônico.
38
CAPÍTULO 7
BATERIAS
As baterias exercem papel fundamental para os RPAS principalmente em
relação à duração em voo, pois, são as baterias que fornecem energia necessária
para o funcionamento dos dispositivos do RPAS. Diante desse papel fica nítida a
importância de se utilizar baterias de boa qualidade e em perfeitas condições de
trabalho.
A escolha do tipo de bateria a ser utilizada é bem complexa, pois o peso e
composição influenciam no tempo de autonomia do RPAS, por isso, se torna
importante conhecer as características de cada tipo de bateria, para assim,
desfrutar da melhor maneira possível o uso e consequentemente, aumentar o
tempo de voo dos RPAS.
Existe uma ideia de que quanto maior for a capacidade da bateria maior se
o tempo de voo. Infelizmente, o aumento do tempo de voo não é proporcional ao
aumento da capacidade da bateria. A Figura 7.1 exemplifica esta questão.
Figura 7.1 Tempo de voo versus capacidade da bateria.
O propósito da bateria, como citado anteriormente, é o de fornecer energia
para o sistema RPAS. As baterias são divididas por células, denominadas S
Standart (Células Padrão), onde cada célula adicional significa um ‘S’ a mais na
bateria, por exemplo se uma bateria for 3S, contém 3 células, 6S contém 6 células.
A bateria é um dispositivo que transforma em corrente elétrica a energia
proveniente de uma reação química, podendo ser compostas de diversos
materiais, tamanhos e potência. Atualmente no mercado existem vários tipos de
baterias, este capítulo abordará algumas utilizadas em RPAS, como as de
39
Chumbo, Níquel Metal Hidreto (NiMH), Lítio Iônico e Polímero de Lítio (Lipo).
Abaixo será abordado as vantagens e desvantagens de cada tipo.
7.1 Baterias de chumbo
As baterias de chumbo são as mais acessíveis no mercado, entretanto,
devido à natureza da composição (ácido de chumbo) são pesadas para serem
usadas em RPAS principalmente os de pequeno porte.
LIMITAÇÕES
Quando armazenadas descarregada, se deterioram;
A tensão da célula não pode ficar abaixo de 2,1 Volts;
Densidade baixa da energia em comparação a demais existentes;
A composição química é perigosa, pode causar danos ambientais;
Permite somente um número limitado de ciclos de descarga;
Baixo desempenho em baixas temperaturas.
7.2 Baterias de níquel metal hidreto (NiMH)
As baterias NiMH é uma evolução das baterias de Níquel Cadmio (NiCad) e
utilizam o níquel como matéria prima básica, que é menos tóxico que o cádmio,
󰼱 É importante saber:󰼱
As baterias não são a única forma de alimentar o sistema de um RPAS.
Existem RPAS que possuem motora com bustão.Geralmente os motores a
combustão equipam RPAS de maior autonomia de voo, como os de asa fixa.
Mais recentemente estão surgindo RPAS que combinam motores a
combustão e elétricos. Descartando a necessidade de baterias de grande
porte, o motor a combustão movimenta um gerador de eletricidade que por
sua vez alimenta os motores elétricos.
40
amenizando a questão ambiental. Em comparação com as baterias de Lítio, tem
menor densidade de energia. As baterias de NiMH não suportam carga rápida e
necessitam de carregadores com corrente entre 0,1 e 0,3Ah sendo a voltagem
nominal de 1,2 V por célula e 1,4V com carga máxima.
As baterias de NiMH apesar de suportarem muitos ciclos de carga em
comparação com as de lítio, estão perdendo mercado, por diversas razões entre
as quais pode-se destacar: tempo de carregamento, densidade de carga, taxa de
descarga e falsa carga, sendo este último caracterizado pelo fato da bateria NiMH
segurar a tensão alta até o final da carga durante o carregamento. Este fato leva
o operador do RPAS acreditar que a bateria está completamente carregada,
entretanto, não está o que pode levar a queda do RPAS.
Limitações
Tempo de carregamento longo;
Pode apresentar falsa carga;
Corrente limitada de descarga;
O desempenho da bateria se deteriora se armazenada em temperaturas
elevadas;
Alta taxa de autodescarga em repouso.
7.3 Baterias de Lítio iônico
As baterias de Lítio iônico ou Íons de Lítio são baterias leves e com
capacidade de armazenar altas densidades de energia, quando comparadas com
as de Níquel e Chumbo. A composição química dessas baterias pode ser de óxido
de lítio cobalto, óxido lítio manganês, óxido de lítio níquel manganês cobalto, óxido
de lítio níquel cobalto alumínio, polímero de lítio e fosfato de lítioferro.
As baterias dos RPAS normalmente são de Lithium polymer battery (Lipo,
em português, bateria de polímero de Lítio) com 3,0 a 4,2 volts por célula e
também são utilizadas as de Fosfato de Lítio de Ferro (Life 2,5 a 3,6 volts por
célula). Dentre as características dessas baterias, podemos ressaltar que
41
requerem baixa manutenção, baixa auto descarga, não apresentam falsa carga,
são mais caras devido ao preço da matéria prima e os cuidados rígidos de
segurança durante a produção, além disso, o material que compõem a bateria é
extremamente inflamável.
As baterias de lítio desde a data de fabricação estão envelhecendo, ou seja,
se deteriorando. Portanto, é muito importante ao adquirir a bateria estar atento a
data de fabricação. Com ou sem o uso essas baterias vão perdendo a capacidade
e começam a apresentar sintomas de envelhecimento entre os quais pode-se
citar: diferenças significativas de voltagem entre as células, aquecimento, inchaço,
aumento da resistência elétrica e queda rápida de tensão.
Para reduzir o envelhecimento precoce, deve-se armazenar em local fresco
e a carga de cada célula deve estar entre 40% e 50% do valor total de carga. Outro
fato importante é a voltagem mínima e máxima da bateria, pois, voltagens fora
desse limite podem danificar a bateria permanentemente. Por exemplo, se a
bateria possui voltagem mínima de 2,5 volts por célula e voltagem máxima 3,6
volts por célula, essas baterias requerem carregadores de baterias inteligentes
que gerenciam a carga durante o carregamento para que não exceda os limites
de voltagem da bateria.
7.3.1 Baterias de Lipo
As baterias de polímero de lítio são baterias de lítio iônico que apresentam
algumas características particulares, diferindo das demais por apresentar eletrólito
gelificado, isso permite que a bateria possua uma alta condutividade elétrica em
temperatura ambiente.
As baterias de polímero de lítio apresentam como características suportar
altas taxas de descarga durante o uso, são pequenas, leves e podem ser
fabricadas em diversos formatos, sendo fundamentais para o uso em RPAS.
Para aquisição de baterias Lítio é importante entender as especificações
nos rótulos das baterias entre as quais temos, tipo de bateria, números de células
(S), amperagem (mAh), taxa de descarga (C), taxa de carga e capacidade de
descarga. A Figura 7.2 apresenta essas informações.
42
Figura 7.2 Identificação das características da bateria Lipo.
Ao analisar a Figura 6.2 pode-se observar o símbolo C, que significa taxa de
descarga da bateria. Conhecendo a classificação C e a capacidade de uma
bateria, pode- se calcular a corrente de descarga máxima segura e contínua da
bateria. Para esse cálculo, se faz necessário multiplicar o valor de C pela
amperagem da bateria. Por exemplo, uma bateria de 1500mAh de capacidade,
com taxa de descarga de 50C, pode fornecer 75.000mAh de descarga.
A bateria LiPo foi projetada para operar dentro de uma faixa de tensão
segura, de 3,0 volts a 4,2 volts. Quando se tem a descarga abaixo de 3,0 volts
pode causar perda permanente e o excesso de carga acima de 4,2 volts pode ser
perigoso, pois, poderá causar explosão. Para evitar esses problemas, o ESC,
controladoras de voo e módulos de força, monitoram a voltagem da bateria
durante o voo para evitar que a mesma chegue no limite mínimo de tensão.
durante o carregamento, os carregadores são programados para não exceder a
tensão máxima da bateria.
󰼱 É importante saber: 󰼱
Se a classificação C for muito baixa, a bateria terá dificuldade em
fornecer a corrente para os motores. Podendo assim gerar aquecimento
excessivo e danificar a bateria se o consumo de corrente exceder a
classificação de segurança.
43
Limitações
Requer circuito de proteção para limitar tensão e corrente;
A descarga rápida pode gerar danos físicos nas células;
O eletrólito é altamente inflamável;
Alto custo de fabricação;
Envelhecimento, mesmo sem uso.
Requer carregadores inteligentes para carregamento.
Vantagens
Densidade da energia elevada;
Auto descarga relativamente baixa;
Manutenção baixa;
Altas taxas de carregamento e descarga;
Alta disponibilidade de tamanhos e formatos;
Leves;
São menos perigosas ao ambiente do que o chumbo e níquel, quando
descartadas.
7.4 Carregadores de bateria e fontes de alimentação
Ao pensar na taxa de descarga de uma bateria, fica evidente que a mesma
necessitará de que se faça uma recarga para se a utilize novamente, pois, devido
as propriedades químicas, a mesma poderá ser recarregada. Portanto,o papel
desempenhado pelos carregadores de bateria é muito importante para o ciclo de
utilização dos RPAS.
Os carregadores de bateria possuem circuitos eletrônico que gerenciam os
pulsos de energia para que seja feita a recarga da bateria. Conforme citado nos
tópicos anteriores, há uma série de tipos de baterias no mercado, portanto, têm-
se a necessidade de carregadores multifuncionais, ou seja, que são capazes de
carregar baterias de chumbo, níquel e lítio. Esses carregadores são conhecidos
como carregadores inteligentes, pois, possuem microprocessadores que podem
gerenciar diversas funções para cada tipo de bateria entre as quais, pode-se
destacar: monitoramento das tensões durante o carregamento célula por célula,
44
reconhecimento automático do número de células das baterias, reconhecimento
de células com problemas, carregamento simples, carregamento com
balanceamento de células, ciclo de carga e descarga, carga rápida, carga de
estocagem e descarga.
Existem carregadores inteligentes capazes de medir a resistência elétrica
das células, monitorar a temperatura do carregador durante o carregamento,
temporizador para interromper a carga depois de certo tempo pré-programado,
fornecem dados do carregamento, entre os quais, número de ciclos da bateria,
resistência elétrica,carga total adquirida entre outros, todos esses dados podem
ser gravados na memória do carregador. Outro ponto importante é o fornecimento
de energia para alimentação do carregador, de modo geral, a maior parte dos
carregadores inteligentes de bateria não possuem fonte interna de alimentação e
necessitam de fontes externas que forneçam tensões entre 11 e 24 volts. Essas
fontes devem ter capacidade de fornecer tensão e amperagens constantes para
não afetar o correto funcionamento do carregador. Deve-se utilizar fontes de
alimentação com uma margem de segurança de 50% da capacidade em ampère
necessária para o carregador, por exemplo, um carregador com capacidade de
carga de 10 ampères deve ter no mínimo uma fonte de alimentação de 15
ampères.
Como descrito anteriormente, para o correto carregamento de baterias é
necessário levar em consideração a taxa de carregamento da bateria “C”. Por
exemplo, baterias Lipo, geralmente podem ser carregadas de 1C a 5C
dependendo das especificações da bateria, ou seja, uma bateria de 4000mAh com
taxa de carregamento de 1C, pode ser carregada com 4 ampères hora, caso a
mesma bateria tivesse taxa de carregamento de 2C, esta poderia ser carregada
com 8 ampères por hora, portanto, o tempo de duração para carregamento dessa
bateria seria de meia hora.
Algumas baterias possuem carregadores inteligentes específicos, não sendo
possível o carregamento sem o carregador da empresa fabricante, por exemplo,
a empresa DJI fornece aos usuários baterias e carregadores inteligentes, não
sendo necessário a compra de fonte de alimentação, pois, o carregador já possui
todo o sistema de correção de amperagem, assim sendo, o usuário necessita
apenas plugar a bateria no carregador e o carregador em uma fonte de energia.
45
7.5 Carregamento e balanceamento de baterias
Devido a constituição química das baterias e a quantidade de células
presentes, pode surgir uma situação em que há um desbalanceamento entre as
células da bateria devido ao aumento da resistência elétrica no interior de cada
célula. Esse desbalanceamento pode levar a interrupções no fornecimento de
energia, causando falhas no funcionamento do RPA e por consequência a queda
em voo.
As baterias que possuem células desbalanceadas têm menor capacidade de
armazenamento e com isso, durante o uso, se descarregam mais rápido em
relação às demais o que pode gerar aquecimento dessa célula. Em algumas
situações, as células desbalanceadas não retornam mais a carga total, portanto,
não atinge voltagens similares às outras células da bateria, nesse caso a célula
deve ser removida da bateria ou até mesmo descartar a bateria.
Diante do grave quadro que é a bateria possuir célula ou células
desbalanceadas, é importante utilizar sistemas que possibilitem o balanceamento
das células enquanto se faz o carregamento da bateria. Em outras palavras, para
que se contorne esse problema, cada célula deve ser monitorada eletronicamente
a fim de garantir a apropriada combinação de voltagem das células presentes na
bateria, portanto, recomenda-se sempre carregar baterias usando a opção de
balanceamento, dessa forma o carregador compensa durante a carga o
carregamento individual de cada célula, até chegar no limite máximo de carga da
bateria.
Destaca-se que existem diversos aparelhos e até programas que podem
verificar a condição de cada célula antes da bateria ser utilizada para voo.
Atualmente existem alguns modos de carregamento para as baterias Lipo, que
serão descritos a seguir:
1. Carga de saldo - O carregador regula a voltagem de cada célula e pode
carregá-las individualmente enquanto busca mantê-las no mesmo nível de
voltagem, portanto, esse é o modo mais seguro e recomendado para carregar
baterias LiPo.
2. Carga direta (carga rápida) A carga é realizada somente pelo terminal
principal e o carregador não monitora a voltagem de cada célula. De maneira geral
esse modo é mais rápido no tempo de carregamento, entretanto, pode resultar em
46
voltagens de célula desequilibradas e a bateria pode não estar efetivamente 100%
carregada ao utilizar.
3. Carga de armazenamento - O carregador atua para que cada célula da
bateria possua tensão de armazenamento, que é de 3,7-3,8 volts. Esse modo é
utilizado quando não se utilizará as baterias nos próximos dias, portanto, é útil
para armazenar as baterias.
4. Descarga - O carregador drena a bateria até o limite mínimo de 3 volts por
célula. Esse modo é utilizado em algumas situações específicas, como por
exemplo, tentar equilibrar novamente células que não estão respondendo de
maneira adequada ao carregamento.
7.6 Cuidados com baterias
Sabe-se que as baterias podem explodir, portanto, os cuidados que se
devem ter se iniciam na aquisição, primeiras cargas e descargas, uso e
armazenamento, pois, todas essas etapas devem ser realizadas de maneira
correta para manter a qualidade da bateria, para que não ocorra a queda do RPA
ou a inutilização da bateria precocemente.
Para a aquisição de baterias deve-se primeiro estar consciente do que é seu
sistema e da necessidade de fornecimento de energia, pois, a compra deverá
orientar-se primeiramente aos dados técnicos do RPA. Após saber a capacidade
necessária da bateria é importante estar atento aos dados de fabricação e da
empresa fabricante, pois, as baterias de lítio começam a envelhecer no momento
que foram fabricadas.
Outra dica importante para os primeiros usos é que se faça, ao menos nos
quatro primeiros ciclos de cargas e descargas, a utilização do carregador no modo
de carga lenta, para isso, deve-se carregar as baterias com a metade da taxa de
carregamento e durante o voo não exigir muito do RPA para não provocar o
aquecimento exagerado da bateria.
É importante destacar que, o carregamento de baterias deve ser realizado
em locais arejados, sem a presença nas proximidades de substâncias inflamáveis,
a superfície para o carregador não deve ser inflamável, recomenda-se superfícies
de alvenaria. Durante o carregamento é importante sempre ter a presença de
pessoa responsável no local para evitar possíveis incêndios, pois, a maioria dos
47
incêndios com baterias de lítio aconteceram durante o carregamento.
O armazenamento das baterias deve ser realizado em locais fresco, longe
de materiais inflamáveis e isoladas individualmente, caso alguma bateria entre em
curto e pegue fogo, isso evita a propagação para as demais. Existem no mercado
bolsas destinadas para armazenamento individual de baterias, são chamados
“Lipo Safe Bag”.
Para manter a segurança e qualidade na utilização de baterias de lítio deve
ser seguida as seguintes recomendações:
Armazenar em local fresco, arejado e sem incidência de luz solar direta;
Armazenar sempre com carga de armazenamento;
Carregar horas antes que antecedem o voo;
Carregar sempre no modo de balanceamento de células;
Evitar descargas rápidas durante o uso;
Evitar queda ou qualquer ação que danifique;
Não armazenar a bateria dentro da aeronave;
Não carregar a bateria acima da taxa de carregamento;
Não deixar a voltagem inferior a 3 volts por célula;
Não perfurar a bateria;
Não provocar curto circuito;
Não submeter a altas temperaturas;
Usar carregadores precisos.
󰼱 É importante saber:󰼱
Caso a bateria LiPo estiver em chamas:
Usar um extintor de CO2;
Caso não tenha extintor, jogue areia.
Se as chamas não puderem ser extintas, deixar a bateria queimar
totalmente;
Não respire a fumaça;
Não use água para apagar as chamas.
48
CAPÍTULO 8
CONTROLADORAS DE VOO
Assim como a placa mãe está para um computador, a controladora de voo
está para o RPAS, pois, esta irá processar os sinais de todos componentes, tais
como: as funções emitidas pelo operador do RPAS, os sinais do GPS, comandos
do gimbal, sensores de impacto, bússola, acelerômetros, barômetro, medidor de
velocidade, dentre outros. A controladora também irá gerenciar a saída dessas
informações recebidas, para controle da estabilidade do RPAS, ajuste da câmera,
giro dos motores, etc.
A controladora de voo é um circuito integrado, normalmente constituído por
um microprocessador, sensores e pinos de entrada/saída. Existem diversos tipos
de controladora de voo, dependendo do modelo, a mesma pode ser utilizada em
um aeromodelo, helimodelo, robôs, automodelos ou no próprio RPAS, o que
dependerá apenas da configuração, portanto, ao comprar e for instalar a
controladora, deve-se configurar de acordo com o fim desejado de utilização.
Algumas controladoras de voo apresentam apenas as funções básicas
necessárias ao voo, como por exemplo o mapeamento dos canais do controle do
rádio em informações para mudança de velocidade, direção e altitude, sendo esta,
a função mais básica de uma controladora, entretanto, a maior parte das
controladoras de voo disponíveis atualmente no mercado, possuem a capacidade
de processar dados de componentes auxiliares ao voo, como por exemplo o GPS,
neste caso, não são somente os comandos do controle que serão responsáveis
pela velocidade de cada motor, uma vez que, a controladora consegue estabilizar
o drone baseada em informações dos sensores inerciais e GPS, por essa razão,
a pilotagem será facilitada. Controladoras de voo mais completas podem ser
programadas previamente para realizar voos automatizados, ou seja, sem a
necessidade de interferência do piloto durante todo o percurso definido
previamente.
As controladoras são divididas em dois grandes grupos em relação a
interface de programação, as que possuem código aberto e as que possuem
código fechado. As controladoras com código abertos ão desenvolvidas pelos
usuários e permitem alterações nos algoritmos que controlam o hardware, por
outro lado, as controladoras voo de código fechado não permitem alterações,
49
entretanto, existem controladoras que possuem aplicativos que permitem alterar
algumas funcionalidades mesmo sendo de código fechado, o que dependerá da
interface gráfica disponibilizada pela empresa fabricante.
Este capítulo irá abordar alguns recursos que essas controladoras de voo
fornecem aos usuários, as funções e integrações com dispositivos embarcados,
os aspectos desejados, e por fim será detalhado uma controladora de voo de
código aberto.
8.1 Características gerais
A principal função de um sistema de controle de voo (FCS-Flight Control
System) é contribuir para a operação segura e econômica do RPAS (MAGNI,
1997).Atualmente, existem no mercado uma variedade de controladoras de voo,
com diferentes níveis de recursos e capacidade de controle sobre o RPAS em voo,
entretanto, pode-se também adquirir todos os componentes separadamente e
montar a própria controladora de voo, geralmente utilizando Arduino. Um exemplo
possível seria a aquisição de um sensor inercial e agrega-lo a uma determinada
placa, caso a mesma aceite tal integração.
A controladora pode se conectar a todos os equipamentos eletrônicos
contido no RPAS (FIGURA 8.1) e por meio de um processador interno possibilitam
executar um conjunto de funções tais como: manter altitude, manter posição, voltar
para o ponto de decolagem, voar de forma autônoma para pontos definidos,
controlar o gimbal, dentre outros inúmeros sensores que podem ser adicionados
ao sistema.
Figura 8.1 ‒ Layout básico de conexão de uma placa controladora de voo em um
multirrotor de quatro motores
50
A quantidade de portas seriais presentes em uma placa controladora de voo
determinará quantos componentes externos poderão ser integrados ao sistema.
Cada um desses componentes utilizarão uma UART (Universal Asynchrounous
Receiver/Transmiter), em português receptor/transmissor universal assíncrono,
portanto, antes de adquirir uma controladora de voo, se faz necessário planejar
quais dispositivos serão utilizados, para assim, escolher a melhor controladora
para o perfil desejado. A seguir, na Figura 8.2 será pontuado as portas seriais da
controladora PixHawker 4.
Figura 8.2 ‒ Portas seriais presentes na controladora PixHawker 4.
Fonte: (https://docs.px4.io/v1.9.0/en/flight_controller/pixhawk4.html)
51
8.2 Sensores
Como citado, a controladora é responsável por gerir o RPAS, recebendo e
emitindo sinais. Os sinais coletados/emitidos são transmitidos por meio dos
componentes/sensores presentes no RPAS e interligados à controladora de voo.
É importante destacar que, não são todas as controladoras de voo que irão incluir
todos os sensores que seo elencados abaixo, dependendo da controladora,
poderá ser a combinação de alguns deles.
8.2.1 Acelerômetro
Como o próprio nome indica, o acelerômetro é o sensor responsável pela
aceleração do RPAS, sendo que, o RPAS possui aceleração linear em até três
eixos (X, Y e Z).
Uma das principais características dos acelerômetros de três eixos é que são
capazes de detectar a gravidade e podem reconhecer qual direção está abaixo,
desempenhando assim um papel importante ao permitir que RPAS multirrotores
mantenham-se estáveis. É desejável que o acelerômetro seja colocado em
posição paralela a controladora devo o, ou até seja integrado a mesma, a fim de
que o seixos lineares se alinhem como seixos do RPAS.
󰼱 É importante saber: 󰼱
Muitas controladoras não disponibilizam todas as UARTs possíveis para
aCPU. Algumas controladoras também podem compartilhar uma UART com
a conexãoUSB, o que pode exigir medidas para contornar esta limitação. Além
disso, nem todas as controladoras permitem ativar SoftSerial. É importante
estudar cada controladora antes de escolher.
52
8.2.2 Giroscópio
O giroscópio (FIGURA 8.3) é um aparelho que pode ser deslocado de
qualquer modo sem que a direção do eixo de rotação se modifique. Foi
desenvolvido por Elmer Sperry, na Sperry Gyroscope Company, no ano de 1910.
Sem dúvida alguma, foi um dos maiores inventos da aviação mundial, o que
permitiu na época o controle mais fácil da aeronave, pois, possibilita saber, mesmo
com mudanças de posição da aeronave, o curso que deverá ser seguido pela
aeronave.
Figura 8.3 ‒ Exemplo do giroscópio desenvolvido por Elmer Sperry
Fonte: (www.sperrymarine.com)
O giroscópio moderno possui integração total de comunicação com as
controladoras de voo e deve ser montado com eixos rotacionais alinhados aos
eixos do RPAS.
8.2.3 IMU (Unidade de Medição de Inércia)
A IMU é uma pequena placa que possui um acelerômetro e um giroscópio.
A maioria contém um acelerômetro e um giroscópio, ambos de três eixos, e outros
podem conter sensores adicionais, como um magnetômetro de três eixos, o que
disponibiliza um total de 9 eixos de medição para a controladora do RPAS.
A IMU pode então condensar 3 sensores extremamente importantes para a
operação de um RPAS, portanto, é imprescindível antes de qualquer voo, saber
se a IMU está com o funcionamento correto, caso contrário, a mesma deverá ser
53
calibrada, processo pelo qual se rotaciona o RPAS em torno dos seus eixos.
8.2.4 Bússola /Magnetômetro
Uma bússola magnética eletrônica é o sensor capaz de medir o campo
magnético da Terra e usá-lo para determinar a direção da do RPAS em relação
ao Norte magnético. Este sensor é geralmente encontrado quando a placa
controladora possuir entrada para o sensor GPS.
8.2.5 Barômetro
Devido a pressão atmosférica se alterar também de acordo com a altitude, é
importante que se tenha um sensor capaz de captar esses dados. O barômetro é
um instrumento que mede a pressão atmosférica, acoplado em uma placa
controladora de voo, pois assim, pode-se ter uma leitura bastante precisa da altura
do RPAS em relação ao nível do mar.
A maior parte das placas controladoras de voo recebe informações do sensor
de pressão e da altitude do GPS para calcular uma altura mais precisa.
8.2.6 GPS
Os Sistemas de Posicionamento Global (GPS Global Position System) é um
aparelho que capta os sinais enviados por uma constelação de satélites e mórbita
da Terra para determinar sua localização geográfica específica, de acordo com
um determinado sistema de coordenadas.
A placa controladora de voo poderá possuir um GPS integrado ou até mesmo
um que esteja conectado por meio de um cabo. Vale destacar que a antena GPS
não deve ser obstruída ou sofrer interferências que possam atrapalhar o
recebimento do sinal desses satélites, portanto, ao voar dentro de um local
fechado é provável que o sensor não receba sinais suficientes.
De acordo com Carneiro (2017), os sensores supracitados são ferramentas
bastante utilizadas por serem de preços relativamente baixos e de respostas com
considerável precisão até em ambientes fechados. Mcfarlane, et al. (2013)
acrescenta que o estado da arte dos sistemas de posicionamento, entretanto, é
representado pelos módulos de mapeamento a laser, que podem, em poucos
54
segundos, sondar um ambiente e recriar um mapa tridimensional em seu
hardware.
8.2.7 Distância
Os sensores de distância estão sendo usados cada vez mais em drones,
sendo bastante utilizados para evitar a colisão com objetos, prédios, árvores
dentre outros que o RPAS poderá se colidir em voo. Atualmente, é comum
encontrar sensores de distância apontados para a parte de baixo do RPAS, pois
assim, o RPAS poderá aterrissar de forma automática. Esses sensores
normalmente são baseados em tecnologia ultrassônica, laser ou lidar. O único
contraponto desta tecnologia é que são poucas as controladoras que permitem a
inclusão desses sensores
Carneiro (2017) destaca que os RPAS também podem contar com outros
sensores integrados ou não a placa controladora, sendo estes: sensores
auxiliadores do voo, sensores para reconhecimento/mapeamento do ambiente,
câmeras, iluminação, paraquedas, armas, transmissores de vídeo em tempo real,
e praticamente qualquer carga que não exceda as limitações de peso da
aeronave.
8.3 Telemetria
A palavra telemetria é derivada da junção de duas palavras gregas: Tele: que
significa longe e, Metron: que significa medida, portanto, Sistema de Telemetria é
algo que faz medições a distância (DIAS, 2010).
O propósito desses sistemas é transmitir dados, que sejam confiáveis e com
informações importantes, de um sistema remoto para uma base, que se encontra
fora do sistema, onde os dados poderão ser estudados (CCSDSC, 1986).
A´utilização destes sistemas começou com a necessidade de realizarem-
sem edições em lugares inacessíveis ao homem, a exemplo da medição de
temperatura em alto forno que oferece riscos até mesmo para os sensores
instalados nos mesmos, uma vez que alguma alteração poderia danificar os
mesmos (MATTOS,2004).
Basicamente, um sistema de telemetria é composto por ao menos um
sensor, ou um grupo deles, uma interface entre os sensores e a rede de
55
comunicação, um conjunto de comunicação transmissor/receptor e um mostrador
ou qualquer outro tipo interface gráfico, para 6 monitoramento dos dados obtidos
(PIOVESAN,2008),conforme pode ser visualizado na Figura 8.4.
Os sistemas de telemetria são considerados sistemas de tempo real, isto é,
o atraso no processamento de dados é suficientemente pequeno para que as
pessoas possam interagir com os eventos que estão acontecendo. Porém, existe
uma parte do processamento do sistema de telemetria que ocorre sem ser em
tempo real, que faz o armazenamento parte de uma análise posterior (DIAS,
2010).
Figura 8.4 ‒ Exemplo de sistema de Telemetria.
Fonte: (PIOVESAN, 2008)
A utilização do processamento em tempo real é importante para analisar os
parâmetros que influenciam diretamente no voo e, que em muitas vezes, são
fatores essenciais para o êxito de um voo.
A vantagem da telemetria é que, mesmo ocorrendo algum acidente com a
aeronave, como os sensores possuem comunicação com uma base, os dados
obtidos antes do acidente podem ser analisados e, assim, podem-se concluir as
possíveis causas do acidente.
8.4 Comunicação
8.4.1 Rádio Controle (RC)
56
A comunicação por Rádio Controle (RC -Radio Control) normalmente
envolve o transmissor RC portátil e receptor RC no RPAS interligado a
controladora de voo. Para pilotar o RPAS, o rádio deve ter no mínimo quatro
canais, cada canal fornece ações básicas de voo listadas abaixo:
Pitch(movimento para frente ou para trás);
Roll(para à esquerda e à direita);
Throttle(altitude);
Yaw(giro no sentido horário ou anti-horário).
Importante ter canais adicionais no radio controle para executar outras funções
na aeronave entre as quais:
Acionar o trem de pouso;
Controles do gimbal(mova para cima / para baixo, gire no sentido horário /
anti- horário,zoom);
Alterar os modos de voo (modo acrobático, GPS, modo estável,etc.);
Ativar uma carga útil (paraquedas, distribuidores de adubos, sementes,
insetos e etc);
Dentre outros.
Os pilotos de RPAS normalmente preferem controlar a aeronave
manualmente, porém, as operações de mapeamentos devem ser realizadas com
voo automatizado, devido a sobreposição frontal e lateral das fotos.
8.4.2 Bluetooth
Bluetooth e produtos BLE (Bluetooth Low Energy) foram originalmente
planejados para serem usados para transferir dados entre dispositivos sem a
complexidade do emparelhamento ou da correspondência de frequências.
Algumas controladoras de voo disponíveis no mercado podem enviar e receber
dados sem fio via conexão Bluetooth, o que facilita a interface para solução de
problemas no campo.
8.4.3 WiFi
O controle WiFi é obtido usando um roteador WiFi associado a um
57
computador, tablet ou smartphone. O WiFi é capaz de lidar tanto com a
transmissão de dados quanto com a transmissão de imagens.
A controladora de voo pode ter WiFi integrado e fazer a conexão diretamente
com o smartphone, tablet ou computador.
8.5 Modos de Voo programáveis
O modo de voo é a maneira como a controladora de voo utilizará os sensores
para voar e estabilizar a aeronave. Elenca-se no Quadro 1 uma lista com os
principais e mais usuais modos de voo, entretanto, nem todos os modos listados
estarão presentes e disponíveis em todas as controladoras de voo.
Quadro 1 ‒ Lista dos principais modos de voo.
Modo
Sensores utilizados
Notas
Giroscópio
Acelerômetro
Barômetro
Bússola
GPS
ACRO / Gyro
X
É um modo padrão, difícil
controle pois o RPAS não auto
nivela.
ANGLE
(Stable/Level/Acc)
X
X
É um modo estável; o
RPAS tenta manter o nível do
solo.
HORIZON
X
Combina o efeito estável com
comandos RC lentos e
acrobacias com
comandos rápidos de RC.
BARO (Altitude
Hold)
X
X
X
O barômetro é usado para
manter uma certa
altura quando não ocorre ação
do piloto.
MAG (Heading
Hold)
X
X
X
Modo de bloqueio de direção
(direção da
bússola), mantém rumo de voo.
HEADFREE
(CareFree)
X
X
X
Mantém a orientação do RPAS
e sempre se moverá na mesma
direção 2D para o mesmo
movimento
do stick ROLL / PITCH.
58
GPS-Return to
Home
X
X
X
X
Utiliza a ssola e o GPS para
regressar ao ponto inicial do
GPS.
GPS-Waypoint
X
X
X
X
Segue os waypoints GPS pré-
configurados de forma
autônoma.
GPS-Position Hold
X
X
X
X
É um modo muito seguro, pois,
mantém a posição usando GPS
e barômetro.
Failsafe
X
O RPAS reverte para acro /
giroscópio somente quando
nenhum outro modo é
selecionado.
8.6 Considerações sobre piloto automático
Atualmente, a maior parte das operações profissionais utilizando RPAS é no
uso para mapeamentos, e devido a necessidade de se estabilizar constantemente
o voo para coleta de fotos, seja em altitude ou posição, se torna complexa a
operação manual do RPAS, o que torna as operações com piloto automático, a
mais utilizada no setor de mapeamentos com RPAS.
Os mapeamentos são previamente concebidos e detalhados em softwares,
que indicarão os waypoints que o RPAS deverá alcançar em rota. Para isso, a
base da operação do piloto automático é o GPS. Em outras palavras, através do
aplicativo, a placa do drone é informada da rota a ser desenhada, portanto, neste
momento deve ser inserido as coordenadas (altura e posição no RPAS, que
podem ser marcadas em uma fotografia do terreno para explorar) e a velocidade
na qual você deseja realizar a rota. Através de um software, o drone interpreta as
ordens e, com relação à posição dada pelo GPS, as transforma em variações de
velocidades dos motores para poder controlar o drone de acordo com as ordens
programadas.
O piloto automático também é usado para a função de retorno automático,
pela qual um drone é capaz de retornar automaticamente a ponto de decolagem,
ou próximo ao piloto quando for solicitado ou em casos de perda de sinal de rádio,
ou em caso de baixa carga de bateria. Isto é feito através de um dispositivo
normalmente incluído no comando que transmite a posição do piloto ao drone, e
59
graças a isso o drone é capaz de traçar uma rota entre sua posição e a do piloto
e executá-la.
8.7. Considerações adicionais
É importante ressaltar alguns pontos que são esquecidos na escolha da
controladora de voo. O que auxiliará diretamente na operação no conjunto RPAS.
Sistema de amortecimento: Pequenas vibrações no frame, normalmente
causadas por hélices desbalanceadas ou pelos motores, podem causar
interferências no funcionamento da controladora de voo, pois a mesma possui
sensores sensíveis a vibrações.
Sistema de proteção ou Case: Um estojo de proteção ao redor da placa
controladora de voo pode ajudar de diversas maneiras. Além de ser mais
esteticamente agradável, fornece algum nível de proteção contra os elementos,
bem como proteção adicional em caso de falha.
Instalação: Existem várias maneiras diferentes em que a controladora de voo
pode ser instalada no RPAS. Desde que, durante a configuração da controladora
via aplicativo seja inserido a informação de posição da mesma no Frame do RPAS.
8.8 Controladora de Voo Pixhawk
As controladoras de voo representam o cérebro dos RPAS gerenciando
todas as funções de voo e acessórios presentes na aeronave. Como foi falado
anteriormente, algumas controladoras de voo têm software de código fechado,
permitindo poucas adaptações de acessórios que necessitem de controle de
função via aplicativo. Para as controladoras de software aberto, como a PixHawk.
Por ser de código aberto, o Software permite ao usuário fazer alterações que julgar
necessárias para customizar o projeto do RPAS.
A controladora Pixhawk é uma evolução da controladora APM (Arduino Pilot
Meta), ou seja, é uma controladora de voo autônomo ou não, baseada na
plataforma Arduino. Esta controladora pode operar RPAS de asa fixa,
multirrotores, helicópteros, bem como veículos terrestres. Sendo desenvolvida
pela 3 DRRobotics e em parceria com a comunidade
ArduPilot(http://ardupilot.org/ardupilot/index.html).
60
A comunidade ArduPilot permite a criação e desenvolvimento de sistemas
de veículos autônomos, não tripulados para o benefício da população. Embora o
ArduPilot não fabrique nenhum hardware, o firmware do ArduPilot funciona em
várias placas (hardware) diferentes para controlar veículos não tripulados de
todos os tipos.Juntamente com o aplicativo controle de solo, os veículos não
tripulados que executam o ArduPilot podem ter funcionalidade avançada, incluindo
comunicação em tempo real com os operadores.
No site da comunidade ArduPilot(http://ardupilot.org/ardupilot/index.html)tem
disponível informações necessárias para o uso da controladora Pixhawk, como
manual, diversos firmware e tutorial para configurações via aplicativo Mission
Plannner. Nesse aplicativo, o usuário irá configurar todas as funções para o
correto funcionamento da controladora Pixhawk. A Pixhawk pode executar tarefas
de forma simultânea e opções de periféricos, entre os quais, sensores de
velocidade, magnetômetros, gimbals, acionamentos de dispositivos, como
distribuidor de sementes, adubos, insetos, pulverizadores etc.
8.8.1 O Kit básico PixHawk
Controladora Pixhawk
Buzzer Sonoro
Botão de Segurança (Safety switch)
Power module com cabo de 6 pinos
Cabo Extra de 6 pinos para conectar o módulo de GPS+Magnetômetro
Cabo Micro USB
Adaptador para cartão micro SD
Espuma anti-vibração
Cabos Servo com 3 fios
Módulo splitter I2C com cabo
GPS Ublox com magnetômetro externo
8.8.2 Características
Processador avançado Cortex® ARM 32 bits rodando NuttXRTOS 14 saídas
PWM / servo (8 a prova de falhas com acionamento manual e 6 auxiliares,
compatíveis com alta voltagem);
61
Opções de conectividade para periféricos adicionais (UART, I2C, CAN);
Sistema integrado de backup para recuperação em vôo e acionamento manual
de failsafe com processador dedicado e fonte de alimentação stand-alone que
proporciona um piloto automático consistente e a prova de falhas.
Fontes de alimentação redundantes e failover automático
Chave externa de segurança paramotores
LED Indicador multi-colorido
Buzzer indicador que produz sons multi-tons de alta potência
Cartão microSD que permite gravação de longos logs de vôo
8.8.3 Opcionais
PPM encoder para receptores RC que não oferecem saída PPM;
Cabo USB externo para fácil conexão a computadores, celulares ou tablets;
LED externo indicador de Status do veículo;
Sensor Digital de velocidade para drones de asa fixa;
Rádios Long Range para Telemetria e data logging via apps ou estações de
controle para PC/Mac/Linux
8.8.4 Especificações do Microprocessor
32-bits STM32F427 Cortex M4 com FPU;
168 MHz/256 KB RAM/2 MB Flash;
Co-processador 32 bits STM32F103 para failsafe.
8.8.5 Especificações dos Sensores
Giroscópio ST Micro L3GD20 (3 eixos, 16 bits);
Acelerômetro e Magnetômetro ST Micro LSM303D (3 eixos 14-bits);
Acelerômetro e Giroscópio Invensense MPU 6000 3 eixos;
Barômetro MEASMS5611;
62
8.8.6 Interfaces da Controladora para Drones PixHawk
5 Portas Seriais UART, 1 compatível com alta voltagem e 2 com HW flow
control;
Compativel com Spektrum DSM / DSM2 / DSM-X®/DX8;
Compatível com Futaba S.BUS®;
Sinal PPM;
RSSI entrada (PWM ou voltagem);
I2C®;
SPI;
Entradas 3.3 e 6.6 VADC;
Porta micro USB;
Controlador de diodo com fail over automático;
Barramento de Servos preparado para alta potência (7 V).
Todas as saídas periféricas são protegidas contra inversão ou picos de
corrente e todas as entradas possuem diodos de proteção.
8.8.7 Dimensões
Peso: 38g(1.31oz)
Largura: 50mm (1.96″)
Espessura: 15.5mm (.613″)
Comprimento: 81.5mm(3.21″)
63
CAPÍTULO 9
RÁDIO CONTROLE E RECEPTOR
O sistema de rádio controle foi inventado por Nikola Tesla, onde em 1898
foi realizada a primeira demonstração de funcionamento desse sistema na cidade
de Nova York. Esse sistema permite a comunicação entre transmissor (radio
controle) e o receptor sem o uso de um fio elétrico. Atualmente os rádios controle
trabalham com transmissão e recepção digital dos dados resultantes da
comunicação entre piloto e aeronave através de ondas eletromagnética de alta
frequência, geralmente 2,4 GHz e 5,8GHz. Alguns modelos, para evitar
interferências trabalham com redundância de canais de comunicação e evitam
canais que estão sendo utilizados por outros operadores de RPAS, e/ou com
interferências de outras torres de transmissão. Isso permite que vários RPAS
voem próximas umas das outras sem que ocorra interferência entre os rádios
controle. Além disso, esses sistemas se tornaram compactos e de grande alcance,
podendo atingir 40 km de distância.
Para entendimento do sistema, o rádio controle envia as informações
através de ondas eletromagnéticas de determinada frequência para o receptor,
este por sua vez, recebe a informação e transfere para a controladora de voo.
Esse caminho de comunicação também é realizado de forma contrária, ou seja,
informações da aeronave são transmitidas do receptor e recebidas no radio
controle, isso é chamado de telemetria.RPAS
9.1 Frequências de Operação
Os rádios controle trabalham geralmente na frequência de 2,4 GHz, mas
podemos encontrar transmissores nas frequências de 5,8GHz e 900MHz. Essas
frequências não permitem que a onda eletromagnética enviada consiga
ultrapassar barreiras físicas, havendo a necessidade de visada livre entre o rádio
controle e o receptor da aeronave.
64
Fatores que Afetam o Alcance
Os obstáculos entre o rádio controle e o receptor interrompem o alcance;
Posição das antenas tanto do rádio controle e receptor;
Fuselagem da aeronave principalmente de fibra de carbono ou alumínio;
Torres de transmissão de wifi e internet e 4G;
A potência de saída do rádio controle, maior potência significa maior alcance;
A sensibilidade do receptor, quanto mais sensível maior o alcance.
9.2 Gimbals do rádio
As alavancas do rádio controle que comandam as funções básicas de voo
da aeronave (direita, esquerda, subir, descer, girar e inclinar) são chamados de
gimbal.A Figura 8.1 demonstra este instrumento.
Figura 9.1 ‒ Exemplo de um gimbal do rádio.
Fonte: (https://futabausa.com/shop/accessories/transmitter-accessories/ubt3440/).
Atualmente, a tecnologia utilizada é o gimbal de sensor de hall, que
basicamente usa ímãs para detectar a posição da haste em vez do potenciômetro
tradicional. Assim, o torna mais resistente ao desgaste e mais preciso.
9.3 Comuta, canais e modos
Os rádios controle possuem vários interruptores com determinadas
funções, que podem ser usadas para armar e mudar os modos de voo por
exemplo. Geralmente, os interruptores vêm em duas ou três formas de posição,
65
bem como controles deslizantes e botões rotativos. A Figura 9.2 demonstra os
interruptores do rádio controle com as respectivas funcionalidades. É importante
destacar que as funcionalidades dos interruptores variam para cada equipamento,
sendo que podem ser otimizadas de acordo com o operador.
Figura 9.2 ‒ Exemplo de um gimbal do rádio.
Fonte: (https://futabausa.com/wp-content/uploads/2018/09/8J.pdf).
Cada interruptor necessita de um canal para enviar o sinal ao receptor.
Portanto, os dois gimbals ocupam 4 canais, othrottle, yaw, pitcheroll.Os canais
extras às vezes são chamados de canais auxiliares (canais AUX) porque podem
ser usados para controlar outras funções, tais como, trem de pouso,gimbal da
câmera,etc.
66
9.4 Requisitos de rádio controle de boa qualidade
Rádio controle completo possuí:
Redundância de comunicação com receptor;
Transmissão digital;
Telemetria e avisos sonoros por fala;
Grande disponibilidade de Canais auxiliares;
Permuta e nomeação de canais;
Mixagem de canais;
Armazenamento de dados do voo;
Capacidade de salvar vários modelos de RPAS;
Boa ergonomia, Hardware e Software intuitivo e de fácil programação;
Disponibilidade de peças e receptores de baixo custo.
67
CAPÍTULO 10
SERVOS
Os servos são componentes fundamentais para executar algumas funções
na aeronave, principalmente para os RPAS de asa fixas. Nesses modelos os
servos são responsáveis pela movimentação das superfícies móveis, entre as
quais, ailerons, profundor, leme, flaps, freios aerodinâmicos, trem de pouso entre
outros. O servo possuí placa eletrônica, potenciômetro, motor, rolamentos,
engrenagens, chassis e braço conforme a Figura 10.1.
Figura 10.1 ‒ Exemplo de um servo.
A escolha do tipo de servo que será usado na aeronave é de fundamental
importância e deve levar em consideração o tipo e características do servo, entre
as quais, o tamanho, a capacidade de torque, precisão, voltagem de trabalho,
ângulo de trabalho, tipo de comunicação, seja analógica ou digital, formato,
material da engrenagem, chassis, velocidade e tipo de motor. Esses quesitos
devem ser considerados para escolher o servo mais adequado ao projeto do
RPAS. Servos de baixa qualidade não são precisos, não respondem efetivamente
a função, consomem grande quantidade de energia podendo influenciar na
qualidade do voo ou até mesmo causar a queda da aeronave. É possível encontrar
informações sobre a qualidade de servos na web, em fóruns sobre helimodelismo
e aeromodelismo de precisão. Nessa modalidade as aeronaves usam servos de
alta qualidade
68
Geralmente os fabricantes de RPAS fornecem as informações sobre os
servos que devem ser utilizados na aeronave, baseado no torque, velocidade e
tipo de comunicação.
10.1 Principais características dos servos
10.1.1 Torque
O torque do servo, ou seja, a força que este é capaz de fornecer é dada em
kg por centímetro. Esse parâmetro é significativo para escolha do servo para a
aeronave. Os construtores de RPAS calculam a força necessária baseado na área
de movimentação da superfície móvel da aeronave, bem como a velocidade
máxima da mesma.
Os servos comuns trabalham em uma faixa de voltagem, geralmente entre
4,8 e 6 volts. Desse modo, teremos diferenças de torque e velocidade de acordo
com a voltagem aplicada no servo. Ressalta-se que a força do servo está
diretamente relacionada com o tamanho do braço do servo, sendo inversamente
proporcional. Por exemplo um servo com torque de 4kg.cm exercer essa força a
um centímetro do centro do cervo no braço. Caso o link conectado no braço esteja
a 2cm, a força do servo será apenas de 2kg. A Figura 9.1 demonstra a relação de
força e distância.
Figura 10.2 ‒ Relação da força versus a distância.
10.1.2 Velocidade dos servos
A velocidade é dada por unidade de segundos/60º, ou seja, o tempo
que o servo leva para girar o braço no ângulo de 60 graus. Aeronaves de grandes
superfícies aerodinâmicas e helicópteros precisam de servos de grande
velocidade, respostas rápidas para corrigir o voo. Servos lentos a velocidade é
69
próxima de 0.20s/60º e servos rápidos a velocidade é próxima de 0.09s/60º. A
Figura 9.2 demonstra o ângulo que o servo tem que girar de acordo com a
especificação de velocidade.
Figura 10.3 ‒ Representação do tempo para o servo atingir 60º.
10.1.3 Servos analógicos e digitais
Os servos analógicos trabalham com diferenças de tempo de pulsos de
energia e voltagem, tendo um número infinito de posições do braço, mas com
menor precisão. Já os servos digitais trabalham com sinais digitais e as posições
do braço são definidas e limitadas, mas são precisas.
10.1.4 Material das engrenagens
As engrenagens de servos de baixo torque (menor que 6kg.cm) são de
nylon, lógico que temos exceções. Esse tipo de engrenagem torna o servo leve e
de baixo custo, mas podem quebrar com facilidades e receber impacto no braço
do servo, devido a alguma queda. Para servos alto torque geralmente as
engrenagens são de metal fornecem resistência, durabilidade, mas contribuí para
maior custo e peso do servo.
10.1.5 Ângulo de trabalho
A maioria dos servos trabalha com ângulo de 90 graus de rotação, isso é
limitado pelo potenciômetro presente no servo. Mas é possível encontrar no
mercado servos que trabalham com ângulos menores e até mesmo de 180 graus.
Alguns servos podem rotacionar 360 graus, mas estes não possuem
potenciômetro para limitar a posição de parada. Em outros casos, temos servos
70
lineares, ou seja, o braço não gira em ângulo, mas caminha de forma linear.
10.1.6 Voltagem
A maioria dos servos funcionam com voltagens entre 4,8 a 6,0 volts, esses
servos são os considerados comuns. Atualmente os fabricantes estão produzindo
servos chamados de alta voltagem, esses funcionam com tensões de 6,0 a 8,4
volts, podem ser usados com baterias Life ou Lipo de duas células.
10.1.7 Sinal de comunicação com receptor ou controladora de voo
Atualmente as grandes marcas lançaram servos que usam a tecnologia
serial para comunicação com os servos. Esses servos são chamados de S-Bus e
podem ser programados individualmente para aplicar o ângulo e velocidade pré-
definidos, porém são bastante caros em relação aos servos que não usam essa
tecnologia.
71
CAPÍTULO 11
CÂMERAS
Os RPAS possuem uma gama de aplicações em diversos setores e, para
cada setor, inúmeras atividades podem ser realizadas com o auxílio deles. Não
obstante, há uma aplicação específica que em quase a totalidade das atividades
ela será utilizada,o imageamento.
Para fins de um melhor entendimento desse capítulo, abordaremos as
câmeras dentro do contexto do sensoriamento remoto, o qual é a ciência que
possibilita a obtenção de dados e geração de informação de alvos sem o contato
com o mesmo, ou seja, nesse momento os RPAS serão apenas plataformas
utilizadas para levar as câmeras em determinado local e altitude para obtenção de
“imagens”.
Outro ponto importante é que nesse capítulo abordaremos as câmeras mais
utilizadas para fins de agricultura, inspeção industrial e topográficos, entretanto,
cabe destacar que não é objetivo desse capítulo adentrar em conhecimentos de
planejamento de voo e realização de levantamentos aerofotogramétricos,
somente abordaremos de forma simplificada tais situações.
Independente do setor e da aplicação, o conhecimento e escolha do
equipamento necessário é vital para o sucesso da operação, no caso das
câmeras, saber qual utilizar, a finalidade das fotografias, a resolução, os pixels e
como configurar o equipamento se torna parte essencial do operador.
As câmeras podem ser separadas em três grandes grupos em relação ao
espectro eletromagnético: RGB (Red,Green e Blue), essas câmeras operam na
faixa do visível do espectro e com banda larga; Multiespectral, comumente essas
câmeras operam na faixa do azul, verde, vermelho, vermelho distante e
infravermelho do espectro e possuem banda curta; e Termal, que operam na faixa
do infravermelho termal. Todas possuem características bens específicas para
atender os objetivos do projeto em que as fotos serão parte.
Cabe salientar que existem outros tipos de Câmeras que não serão
apresentados neste livro, como por exemplo, os sensores Hiperespectrais, LiDAR,
Radar, dentre outros sensores de monitoramento do espectro de frequência.
72
11.2 Câmeras RGB
As câmeras RGB são as principais câmeras utilizadas nas atividades com
RPAS no mundo, pois, ela contempla os RPAS utilizados para lazer, fotografias
casuais e profissionais de eventos, além de fotografias para inúmeras aplicações.
Quase todos os RPAS RTF (Read To Fly) possuem uma câmera RGB instalada.
Segundo Ricker (2004) o sistema RGB se caracteriza por ter em cada pixel
um espaço no espectro tridimensional, contendo cada uma das três cores
primárias (RGB), onde a combinação dessas cores resulta em uma cor para cada
pixel. As imagens digitais apresentam 256 tonalidades, assim, é possível a
obtenção de mais de 16,7 milhões de cores (256 x 256 x 256).
Cabe salientar que as câmeras do tipo RGB são utilizadas apenas para
capturar fotos no espectro do visível, ou seja, para registrar imagens dos alvos
que os olhos humanos podem visualizar, portanto, os demais comprimentos de
onda não serão capturados por esses sensores. No Quadro 11.1 será descrito
algumas especificações de três câmeras RGB utilizadas em RPAS.
Quadro 11.1 Especificações de três câmeras RGB utilizadas em RPAS
Modelo
Sony α 6000
Phantom 4 Pro V2.0
Go pro Hero 7 Black
Sensor
APS-C: 24,7M pixels1
CMOS: 20M pixels
CMOS: 12 M pixels
ISO range
100-51200
(automático)
100-12800 (manual)
100-800
Tamanho máximo
da
imagem
6000x4000
5472 x 3078
4093 x 3072
1Barbosa et al. (2016) relatam que na prática, o número de pixeis de uma imagem depende do
número de unidades fotossensíveis no sensor da câmera, portanto, a resolução da câmera pode
ser apresentada em relação a proporção de pixels na largura e na altura de uma imagem digital.
Um exemplo prático dessa afirmação é analisar o seguinte exemplo:1280 x 720, ambos números
representam o número de pixels em cada coluna e linha respectivamente da imagem matricial que
compõem a foto. Ressalta-se que também pode ser analisada pela multiplicação dos dois valores,
exemplo: 1 megapixel (um milhão de pixels).
Extensão
JPEG, DNG (RAW),
JPEG + DNG
JPEG, DNG (RAW),
JPEG + DNG
JPEG, DNG (RAW),
JPEG + DNG
Peso
453g
-
116g
73
11.3 Multiespectral
Conforme abordado anteriormente, as câmeras RGB captam dentro do
intervalo doespectrodovisível(400-700 nm), entretanto, existe uma grande parte
de todo o espectro que é possível de ser captada, por exemplo, o ultravioleta (200-
400 nm), a região do infravermelho (700-4000 nm), até o infravermelho termal.
Devido à alta reflectância das plantas no espectro do infravermelho próximo
e a alta interação em determinadas faixas do visível, principalmente pelas
clorofilas a e b,as câmeras multiespectrais têm sido utilizadas para gerar índices
de vegetação que possuem relação com alguns parâmetros biofísicos dos
plantios, pois, além da informação espacial (X e Y) contém informação na
dimensão espectral (Z), sendo essa analisada em bandas estreitas do espectro,
possibilitando assim a análise real de determinado comprimento de onda.
As câmeras multiespectrais, portanto, são aquelas que conseguem
capturar determinadas faixas do espectro de formas e para da e surgem com a
associação da ciência da espectroscopia com a de aquisição de imagens digitais
com câmeras digitais (Bock et al., 2010; Li et al., 2013). Em relação ao número de
bandas captadas, as câmeras RGB são sensíveis a três, as multiespectrais,
geralmente, entre três e dez bandas. No Quadro 11.2 será descrito algumas
especificações de duas câmeras multi espectrais utilizadas em RPAS.
Quadro 11.1 Especificações de duas câmeras multiespectrais utilizadas em
RPAS
Modelo
Parrot Sequoia
Micasense RedEdge
Resolução
1280 x 960
1280 x 960
GSD (120m)
13cm
8,2 cm
Comprimento focal
3,98 mm
5,5mm
Campo de visão
(Horizontal/Vertical)
(61,9º/48,5º)
(47,2º/35,4º)
Número de bandas
4
5
74
Centro do comprimento de onda /
largura da banda (nm)
Green (550/40) Red
(660/40)
Red Edge (735/10) Near
Infrared (790/40)
Blue (475/20) Green
(560/20) Red (668/10)
Red Edge (717/10)
Near Infrared (840/40)
11.4 Termal
As câmeras termais são aquelas que captamos comprimentos de onda no
espectro eletromagnético do infravermelho termal. Baseado na Lei de Planck é
possível afirmar que todo corpo acima do zero absoluto (-273ºC) emite energia,
portanto, emite radiação e essa pode ser capturada por um sensor que possua
filtros para esses comprimentos de onda, o qual, dependerá da temperatura do
corpo.
Câmeras termais ainda possuem uso muito restrito nos RPAS, sendo mais
utilizadas na inspeção industrial, por exemplo torres de transmissão de energia e
plantas fabris, e na agricultura, como por exemplo no auxílio no desenvolvimento
de clones adaptados a temperaturas elevadas e falhas no sistema de irrigação.
É importante salientar algumas informações na hora da compra, como por
exemplo: a resolução, a frequência, as lentes e a capacidade de disparo e
transmissão dos dados da câmera. As principais meras utilizadas nos RPAS
são fabricadas pela empresa FLIR, sendo a FLIRVUEPRO e a FLIRDUO, suas
principais câmeras para plataformas RPAS.
75
CAPÍTULO 12
REGRAS DE USO NO BRASIL
Para o entendimento da regulamentação do uso de RPAS no Brasil se faz
necessário saber que os RPAS estão submetidos a três órgãos do governo
brasileiro, entre as quais: Agência Nacional de Telecomunicações (Anatel),
Agência Nacional de Aviação Civil (Anac) e Departamento de Controle do Espaço
Aéreo(Decea).
Anatel:
A Anatel é responsável pelo setor de telecomunicações no Brasil, cabe
aprovar,editar e atualizar o plano com a atribuição, distribuição e destinação de
radiofrequências associadas aos diversos serviços e atividades de
Telecomunicações.
Em relação aos RPAS, a Anatel é responsável por homologar os produtos
utilizados em sistemas de radiocomunicação em geral, garantindo que esses
produtos respeitem os padrões mínimos de qualidade e segurança, além das
funcionalidades técnicas regulamentadas.
Todas as empresas ou pessoas físicas proprietárias de RPAS precisam
homologar os RPAS com a Anatel, inclusive os de uso recreativo, como os de
aeromodelismo, pois, os RPAS possuem transmissores de radiofrequência nos
controles remotos e, em alguns casos, possuem também no próprio RPAS, para
a transmissão de imagens em tempo real. Logo, a medida da Anatel tem como
objetivo evitar interferências dos RPAS em outros serviços, a exemplo das
comunicações via satélite.
É importante destacar que a Anatel possui um manual que contém as
orientações sobre todos os procedimentos necessários para homologação de
RPAS, além de instruções para o uso do novo Sistema de Certificação e
Homologação (SCH). O site para cadastro do RPA é:
https://sistemas.anatel.gov.br/mosaico. Até outubro de 2019 era necessário o
pagamento de uma taxa de homologação no valor de R$200,00 e tque possuía a
validade de dois anos, entretanto, segundo a regulamentação, a perda da validade
76
da homologação não implica proibição da continuidade de utilização do produto
pelo usuário que dele já fazia uso de forma regular perante a Anatel.
Entretanto, no dia 25 de outubro, a Anatel publicou no Diário Oficial da
União o novo Regulamento de Avaliação da Conformidade e de Homologação de
Produtos para Telecomunicações (http://www.in.gov.br/en/web/dou/-/resolucao-n-
715-de-23-de-outubro-de-2019-223850480). Com o novo regulamento, acabaram
as cobranças para a expedição do certificado de homologação.
Anac:
A Anac é a agência responsável pela segurança da aviação civil, sua
função consiste em criar normas, certificar empresas, oficinas, escolas,
profissionais da aviação civil, aeródromos, aeroportos e fiscalizar as operações de
aeronaves, de empresas aéreas, de aeroportos e de profissionais do setor e de
aeroportos, focando na segurança e na qualidade do transporte aéreo.
Com relação aos RPAS, a Anac foi responsável pela criação das regras
para as operações civis de aeronaves não tripuladas. O Regulamento Brasileiro
de Aviação Civil Especial nº94/2017(RBAC-Enº94/2017), publicado em 03 de maio
de 2017, estabelece as condições para a operação de aeronaves não tripuladas
no Brasil, considerando o atual estágio do desenvolvimento desta tecnologia.
É importante destacar que o RBAC-E nº 94/2017 foi elaborado levando-se
em conta o nível de complexidade e de risco envolvido nas operações e nos tipos
de equipamentos. Alguns limites estabelecidos no novo regulamento seguem
definições de outras autoridades de aviação civil como Federal Aviation
Administration (FAA), Civil Aviation Safety Authority (CASA) e European Aviation
Safety Agency (EASA), reguladores dos Estados Unidos, Austrália e da União
Europeia, respectivamente.
Esse regulamento foi um marco na história recente dos RPAS no Brasil,
pois, dividiu as aeronaves não tripuladas em duas categorias: aeromodelos
(aeronave não tripulada com finalidade de recreação) e os RPA (aeronave não
tripulada pilotada a partir de uma estação de pilotagem remota com finalidade
diversa de recreação).Outro ponto importante neste regulamento, foi a
classificação dos RPA, a qual segmenta em três classes, de acordo com o peso
máximo de decolagem (PMD), sendo:
Classe 1 - RPA com PMD maior que 150 kg: A regulamentação diz que
77
equipamentos desse porte devem ser submetidos a processos de certificação
similar a regulamentação existente para as aeronaves tripuladas, solicitando
ajustes dos requisitos de certificação ao caso concreto. Esses RPA devem ser
registrados no Registro Aeronáutico Brasileiro identificados com suas marcas de
nacionalidade e matrícula.
Classe 2 - RPA com PMD maior que 25 kg e menor ou igual a 150 kg: O
regulamento estabelece os requisitos técnicos que devem ser observados pelos
fabricantes e determina que a aprovação de projetos ocorrerá uma única vez.
Esses RPA também devem ser registrados no Registro Aeronáutico Brasileiro e
identificados com suas marcas de nacionalidade e matrícula.
Classe 3 - RPA com PMD menor ou igual a 25 kg: A regulamentação
determina que os RPA desta classe que atuem além da linha de visada visual
(BVLOS) ou acima de 400 pés (120 metros) deverão ser de um projeto autorizado
pela ANAC (Agência Nacional de Aviação Civil) e devem ser registradas com sua
marca de nacionalidade e matrícula. RPA desta classe que operarem em até 400
pés acima do solo e em linha de visada visual não precisarão ser de projeto
autorizado, mas devem ser cadastradas na ANAC através do sistema SISANT,
apresentando informações sobre o operador e sobre o equipamento.
Os RPA com até 250g não precisam ser cadastrados ou registrados,
independentemente de sua finalidade.
Essa classificação é muito importante quando aborda-se o tema dos drones
pulverizadores, pois, conforme descrito, o peso máximo de decolagem é aquele
em que o RPAS decola com todos equipamentos que o compõem, portanto, nesse
caso, se existir um recipiente para colocar líquidos, o peso de decolagem é o peso
com o líquido e não apenas o peso do RPAS como recipientes em líquido. Por
exemplo: um RPA com sistema de pulverização sem líquido possui PMD de 20kg,
entretanto, o recipiente suporta 8kg de líquido, então, o PMD passa a ser 28kg, o
que o torna de Classe 2. Portanto, têm-se que ter em conta que o RPA utilizado
para pulverização poderá variar de uma classe para outra e com isso, as
exigências para sua utilização deverá se levar em conta o PMD, da operação que
será realizada, pois, o mesmo RPA poderá ser utilizado com diversos fins. É
importante frisar também que existem três tipos de voos que podem ser efetuados
com o RPA, entre os quais:
Operação BVLOS Operação na qual o piloto não consegue manter o RPA
78
dentro de seu alcance visual, mesmo com a ajuda de um observador.
Operação VLOS Operação na qual o piloto mantém o contato visual direto
como RPA (sem auxílio de lentes ou outros equipamentos).
Operação EVLOS Operação na qual o piloto remoto só é capaz de manter
contato visual direto com o RPA com auxílio de lentes ou de outros equipamentos
e precisa do auxílio de observadores de drone.
A Anac possui sistema próprio para cadastramento dos RPA denominado
Sistema de Aeronaves Não Tripuladas (Sisant). Esse sistema é de fundamental
importância pois é nele que o proprietário do RPA realizará o cadastro do
equipamento. O cadastro é obrigatório para aeronaves não tripuladas com PMD
superior a 250g, independentemente do tipo de uso (recreativo ou não).
Para o cadastro no Sisant, é necessário informar os dados pessoais ou de
pessoa jurídica, os dados da aeronave e escolher uma combinação de nove
dígitos, que será o número da identificação. O sistema, automaticamente, indicará
os prefixos PP (aeronaves não tripuladas de uso não recreativo) e PR (aeronaves
não tripuladas de uso recreativo/aeromodelos). Depois de preencher todas as
informações solicitadas, o sistema vai gerar uma certidão de cadastro, que é um
documento obrigatório a ser portado pelo usuário.
Um ponto importante a ser destacado é sobre o transporte de cargas por
RPA. Segundo a regulamentação da Anac é proibido o transporte de pessoas,
animais, artigos perigosos e outras cargas proibidas pelas autoridades.
Entretanto, é pontuado que artigos perigosos poderão ser transportados se
forem destinados a lançamentos relacionados à atividade de agricultura,
horticultura, florestais ou outras definidas pelo regulamento, portanto, a carga
destinada a pulverização em atividades agrícolas é permitida.
Existem outros pontos que são importantes para estar de acordo com a
operação do seu RPA com a legislação vigente da Anac, como por exemplo:
distância de pessoas, idade mínima, licença, certificado médico, seguro, local de
pouso, penalidades, dentre outros. Abaixo será pontuado o que se faz necessário
para realizar operações com RPA de acordo com sua classificação, são eles:
Certidão de Cadastro, Certificado de Matrícula ou Certificado de Marca
Experimental válidos;
Certificado de Aeronavegabilidade válido (para aeronaves não tripuladas de
Classes 1 e 2 e as de Classe 3 que voem acima de 400 pés);
79
Manual de voo;
Apólice de seguro ou o certificado de seguro com comprovante de pagamento
e dentro da validade (exceto aeronaves não tripuladas com peso de decolagem
até 250 gou aquelas operadas pelos órgãos de segurança pública e defesa civil);
Documento com avaliação de risco;
Licença e habilitação de piloto válidas para operações acima de 400 pés em
relação ao nível do solo ou que atuarem em operações de RPAS Classe 1 e 2;
Extrato do Certificado Médico Aeronáutico (CMA) válido para pilotos de
aeronaves não tripuladas da Classe 1 (mais de 150 Kg) ou 2 (mais de 25 kg e até
150kg);
Cabe destacar aqui que existem outros documentos que poderão ser
necessários de acordo com o Decea, Anatel e outros órgãos competentes.
Decea:
O Departamento de Controle do Espaço Aéreo (Decea) é a organização
responsável pelo controle do espaço aéreo brasileiro, provedora dos serviços de
navegação que viabilizam os voos e a ordenação dos fluxos de tráfego aéreo no
país. Subordinado ao Comando da Aeronáutica, o Decea é o órgão gestor do
Sistema de Controle do Espaço Aéreo Brasileiro (Sisceab), que abrange outras 13
organizações, responsáveis pela execução operacional das atividades que
materializam o cumprimento das metas e atribuições do Decea.
Em relação aos RPA o Decea elaborou a Instrução do Comando da
Aeronáutica (ICA 100-40), a qual tem por finalidade regulamentar os
procedimentos e responsabilidades necessários para o acesso seguro ao espaço
aéreo Brasileiro por aeronaves não tripuladas, a qual foi aprovada por meio da
Portaria Decea nº224/DGCEA, de 20 de novembro de 2018.
Com o objetivo de facilitar o acesso ao espaço aéreo brasileiro por RPA, o
Decea criou um sistema denominado SARPAS. Nesse sistema o usuário faz o
cadastro com suas informações pessoais e do RPAS, após o cadastro, o usuário
poderá solicitar a autorização para acessar o espaço aéreo do local para operar
seu RPAS e durante o intervalo de horas que necessite.
É importante destacar que apesar de sempre entender que o espaço aéreo
é muito amplo, na verdade é finito, e é demandado por diversos tipos de usuários
(aeronaves comerciais, militares, ultraleves, paraquedistas, entre outros) e que
80
guardam características muito específicas de operação. Nesse contexto, a
autorização para uso do espaço aéreo, além de atender ao Art. 14 §4° da Lei
7.565, Código Brasileiro de Aeronáutica(CBA), é necessária para que haja a
coordenação entre os usuários do espaço aéreo em prol da segurança
operacional.
Cabe destacar também que existem penalidades previstas por todos os
órgãos em casos de infrações. Irregularidades em relação ao cumprimento da
norma da Anac são passíveis de sanções previstas no Código Brasileiro de
Aeronáutica (Lei nº 7.565/86). Outras sanções também estão previstas nas
legislações referentes às responsabilização nas esferas civil, administrativa e
penal, com destaque à inviolabilidade da intimidade,da vida privada, da honra e
da imagem das pessoas.
81
REFERÊNCIAS
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Article
Full-text available
Spectral imaging is a technology that integrates conventional imaging and spectroscopy to get both spatial and spectral information from an object. Although this technology was originally developed for remote sensing, it has been extended to the biomedical engineering field as a powerful analytical tool for biological and biomedical research. This review introduces the basics of spectral imaging, imaging methods, current equipment, and recent advances in biomedical applications. The performance and analytical capabilities of spectral imaging systems for biological and biomedical imaging are discussed. In particular, the current achievements and limitations of this technology in biomedical engineering are presented. The benefits and development trends of biomedical spectral imaging are highlighted to provide the reader with an insight into the current technological advances and its potential for biomedical research.
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Reliable, precise and accurate estimates of disease severity are important for predicting yield loss, monitoring and forecasting epidemics, for assessing crop germplasm for disease resistance, and for understanding fundamental biological processes including co-evolution. Disease assessments that are inaccurate and/or imprecise might lead to faulty conclusions being drawn from the data, which in turn can lead to incorrect actions being taken in disease management decisions. Plant disease can be quantified in several different ways. This review considers plant disease severity assessment at the scale of individual plant parts or plants, and describes our current understanding of the sources and causes of assessment error, a better understanding of which is required before improvements can be targeted. The review also considers how these can be identified using various statistical tools. Indeed, great strides have been made in the last thirty years in identifying the sources of assessment error inherent to visual rating, and this review highlights ways that assessment errors can be reduced—particularly by training raters or using assessment aids. Lesion number in relation to area infected is known to influence accuracy and precision of visual estimates—the greater the number of lesions for a given area infected results in more overestimation. Furthermore, there is a widespread tendency to overestimate disease severity at low severities (
Hardware e Software intuitivo e de fácil programação
  • Boa
• Boa ergonomia, Hardware e Software intuitivo e de fácil programação;
Outras sanções também estão previstas nas legislações referentes às responsabilização nas esferas civil, administrativa e penal, com destaque à inviolabilidade da intimidade,da vida privada, da honra e da imagem das pessoas
  • Aeronáutica
Aeronáutica (Lei nº 7.565/86). Outras sanções também estão previstas nas legislações referentes às responsabilização nas esferas civil, administrativa e penal, com destaque à inviolabilidade da intimidade,da vida privada, da honra e da imagem das pessoas.
Projeto de uma bancada experimental para avaliação do controle de um drone. 2017. 55p. Monografia de Conclusão de Curso, Faculdade de Engenharia Mecânica
  • B B Carneiro
CARNEIRO,B.B.Projeto de uma bancada experimental para avaliação do controle de um drone. 2017. 55p. Monografia de Conclusão de Curso, Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, MG,Brasil.
Projeto de construção um drone hexacóptero. Monografia (Engenharia Mecânica) -UFF
  • H C Demolinari
DEMOLINARI, H. C.Projeto de construção um drone hexacóptero. Monografia (Engenharia Mecânica) -UFF. Niterói, 58f., 2016.
Mini unmanned aerial vehicle (UAV): System overview and image acquisition
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