Introdução aos drones: O que são e como funcionam os drones? 15

Tenho quase certeza que você já viu algum Drone, pessoalmente ou, pelo menos em videos ou filmes. Eu, quando vi um pela primeira vez, voando e fazendo acrobacias, logo me perguntei “Como esse “treco” faz pra voar e fazer essas manobras?”. Então, o que é um Drone e como funciona um Drone?

Quando falamos em drones, a primeira coisa que aparece em nossas mentes é uma máquina com 4 hélices apontadas para cima em formato de X que consegue ser controlada por um controle remoto.

Isto que eu descrevi, também é um drone, mas os drones não se limitam apenas a este modelo. Existem diversos tipos, com diversas aplicações e diferentes funcionalidades no mercado, além de uma comunidade ativa dos desenvolvedores e makers que faz com que a tecnologia dos drones avance de uma forma incrível.

O que são drones?

Drones são veículos aéreos não tripulados. Simples e direto. O seu nome é dado devido ao barulho característico das hélices ao rotacionarem, cujo qual “Drone” em inglês, se traduzido ao português teremos “Zangão”.

Se pegarmos um helicóptero ou um avião de controle remoto, então, teremos um drone? Por definição, ambos são dones, mas na concepção atual não é bem assim.

Drones, então, denomina toda a classe de veículos que não se configuram em formato de avião e possuem no mínimo 3 hélices com o sentido do vetor força direcionado para cima (apesar de existirem exceções a essa regra, como o caso dos drones de asa fixa).

Tipos de Drones

Existem diversas classificações para os drones, contando com a sua funcionalidade, numero de hélices, configuração das hélices e formato, por exemplo. Para trabalharmos com drones, temos que entender uma coisa: os motores e o número de hélices do drone irá estabelecer dois fatores, capacidade de carga e velocidade. Estas grandezas são inversamente proporcionais, logo, se tivermos alta capacidade de carga, a velocidade será reduzida, tal como o inverso se faz verdadeiro.

Configuração dos multi-rotores

Os drones são máquinas multi-rotores que podem possuir diferentes configurações de suas hélices, cujo qual altera, como dito anteriormente, a sua velocidade e a sua capacidade de carga. A sua configuração pode ser dividida em 3 principais tipos: quadricopteros, hexacopteros e Octacopteros, mais comumente chamados de Quad, Hexa e Octa.

Quadricopteros: são os multi-rotores mais comuns quando falamos de drones, cujo qual possuem uma velocidade elevada em comparação com os outros e possui uma capacidade de implementação razoável, sendo capaz de executar a maioria das tarefas demandadas. São utilizados em fotografia, competições de velocidade, execução de tarefas simples e como brinquedos.

Os quadricopteros possuem quatro hélices em sua formação, possuindo 2 formações de voo, uma em forma de “x”  e outra em forma de “+” (também conhecido como configuração P). Na imagem a seguir, a seta em vermelho está indicando para onde é a frente do drone.

Como podemos perceber, essa configuração muda somente um pouco na rotação do drone. E o que isto afeta na prática?

Bem, isso impacta diretamente no consumo da bateria e na velocidade do drone. Para fazermos o drone P ir para frente temos que mudar somente o movimento de 2 motores e para fazer o drone X se movimentar temos que modificar o movimento de todos os 4 motores. Portanto, o drone X tende a ser mais rápido, enquanto o drone P tende a suportar cargas um pouco mais elevadas e com uma estabilidade maior.

Além destes 2 tipos mais comuns de quadricopteros, existem alguns tipos com forma de T, que possuem 2 rotores na parte frontal alinhados e 2 rotores juntos, um abaixo do outro, na parte de trás.

Esta configuração possui um mix de velocidade e capacidade de carga, ficando abaixo na capacidade de carga do P mas acima do X e abaixo na sua velocidade em comparação ao X e acima do P. Outra configuração para um quadricoptero que ainda podemos utilizar é a configuração em Y, seguindo a premissa da configuração em T, mas diminuindo o ângulo entre os motores frontais, criando a forma de um Y. Nós veremos um exemplo de uma formação Y nos octacopteros.

Octacopteros: são multi-rotores capazes de suportar elevadas cargas e possuem uma estabilidade de voo impressionante. São utilizados, normalmente em filmagens e fotografias profissionais, onde as câmeras são mais pesadas e robustas. São utilizados também em tarefas de realização de topografia, mapeamento de regiões e em tarefas automatizadas de longa duração (drones de entregas, por exemplo).

Os octacopteros são multi-rotores de 8 rotores, podendo ser configurado com seus rotores alinhados em um círculo ou em forma duplo P, duplo X e ainda na formação duplo Y, como veremos.

Apesar de possuírem uma grande estabilidade e uma grande capacidade de carga, os octacopteros perdem no quesito velocidade, quando comparados com os quadricopteros. No entanto, a capacidade de carga deles faz com que sejam capazes de portar baterias maiores e com maior capacidade de carga, fazendo com que o seu tempo de voo aumente.

Hexacopteros: mesclam as propriedades de alta carga com uma velocidade considerável, além de trazer um consumo de bateria menor em relação aos octacopteros.

Os hexacopteros possuem 6 hélices, alinhadas ou sobrepostas. A configuração duplo T não é muito utilizada, pois quando fazemos a soma vetorial das forças dos motores, percebemos que o consumo de energia é relativamente mais alta, além de termos uma estabilidade não proporcional a configuração.

Como funciona um drone?

Antes de entrar em mais detalhes de como funciona um drone, vamos entender como eles fazem para voar.

Os drones funcionam da seguinte forma: os motores são ligados às hélices, que são rotacionadas gerando uma força para baixo com ar que é impulsionada para baixo (isto ocorre em drones do tipo helicópteros, em aeromotores o funcionamento é ligeiramente diferente).

O fenômeno do deslocamento de massa através da hélice, gerando assim uma contra força aplicada para levantar voo é chamado de empuxo. O empuxo é o que faz o drone alçar voo. Se analisarmos bem uma hélice no plano 3D, veremos que o empuxo gerado na hélice gera um vetor força que não irá ser perpendicular ao motor.

É necessário, então, pelo menos uma outra hélice rotacionando no sentido contrário para que ocorra a compensação no plano em que o drone se encontra e outra hélice no mesmo sentido para compensar a rotação no eixo Z (rotacionar).

Partindo deste princípio teremos, então, a definição de um drone é uma máquina de pelo menos 3 rotores que consegue alçar voo.

“Mas eu nunca vi um drone de 3 hélices…”

As coisas na prática mudam um pouco. Por soma vetorial(No funcionamento mecânico do Drone), para termos uma compensação nos dois motores que giram no mesmo sentido, o motor que rotaciona no sentido oposto teria que ter um dimensionamento diferente, com uma potência um pouco maior, juntamente com um circuito controlador um pouco mais avançado e com um cálculo de hélice um pouco mais apurado, o que faz com que sua confecção seja um pouco mais complexa do que um quadricoptero, por exemplo. Por isso drones de 3 hélices não são tão comuns.

Agora que já sabemos as configurações mais comuns e como eles levantam voo, como que ele faz para efetivamente levantar voo?

Podemos notar que, em todas as configurações de todos os tipos de multi-rotores temos o funcionamento do drone baseado no par das hélices, onde uma hélice sempre tem um par alinhado que terá o sentido mesmo sentido de rotação. No caso, temos marcado de verde o sentido rotacional horário e em azul o anti-horário.

Os hexacopteros possuem um trio de hélices alinhados, onde teremos a soma vetorial dessas componentes resultando em uma componente alinhada aos motores, onde estão anguladas em 120° entre sí.

Este fato é muito importante, pois com esse alinhamento, com todos os motores acionados com a mesma velocidade, o drone irá levantar voo alinhado, indo em linha reta para cima. Se essa configuração não for respeitada, o seu drone, além de não levantar voo, irá começar a tentar girar. Essa premissa também é verdadeira para os drones de configuração dupla.

Juntamente com o movimento do motor, temos que selecionar a hélice com a pá no sentido certo, para gerar o empuxo necessário para alçar voo. Para isso temos hélices especificas para rotacionarem no sentido horário e outra para o sentido anti-horário.

Para fazermos o nosso drone alçar voo e podermos controla-lo, temos que seguir uma sequência de acionamento das hélices específica, onde temos a seguinte configuração:

Como podemos ver, alterando a intensidade com que os motores rotacionam controlamos o movimento do nosso drone.

Conclusão

Os Drones possuem gama enorme de possibilidades cujo as pessoas desconhecem, cujo pode facilitar muito desde a escolha de qual comprar até a melhorar o desempenho de um Drone ou mesmo desenvolver um Drone que atenda as suas necessidades.

Se quer saber mais sobre Drones, acesse o post continuação.

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