Drones: o que são, como funcionam e como voam

Introdução

Certamente todos nós já vimos um drone, mas você sabe com eles funcionam? Sabe o porquê desse nome? Vem com a gente que vamos te ensinar tudo isso e muito mais nesse post!

Primeiramente, vamos falar do nome. A palavra “drone” é usada para designar todo e qualquer veículo aéreo não tripulado, também chamados de VANT ou UAV, com a capacidade de executar missões e fazer vôos autônomos sem a interferência do piloto ao longo de todo o vôo. Estes incluem veículos civis e militares de todos os tipos, como representado na imagem abaixo:


À esquerda, um DJI Phantom 3 Standard de uso civil e, à direita, um MQ-9 Reaper da Força Aérea dos EUA

Entretanto, existe uma linha tênue nessa nomenclatura, pois existem dispositivos rádio controlados que não são tripulados, mas não fazem vôos automáticos – como os aeromodelos – e estão subordinados aos controles do piloto em 100% do tempo, portanto o termo “drone” não se aplica a eles. Sendo assim, o termo correto para essas aeronaves em específico é “multirotor” ou “multicóptero”, graças à presença de vários motores e pela física de vôo muito semelhante a um helicóptero. Mas, por que todos chamam de “drone”? Por um simples motivo: a palavra drone, traduzida do inglês, significa zangão e é uma alusão ao ruído semelhante a um enxame de abelhas que é produzido pelas hélices quando o dispositivo está em funcionamento. Legal, né?

Outra nomenclatura intrínseca aos drones é dada de acordo com a quantidade de motores que ele possui. As controladoras de vôo (falaremos sobre elas mais adiante) que temos hoje no mercado nos permitem configurações com 3 motores (tricóptero, ou tri), 4 motores (quadricóptero, ou quad), 6 motores (hexacóptero, ou hexa) ou 8 motores (octacóptero, ou octa) e cada configuração tem suas particularidades, fazendo com que cada máquina desempenhe uma função específica no mercado. Vamos aprender sobre cada uma delas:

– Tricóptero: de todas as configurações existentes, o tricóptero é a mais rara e a única voltada exclusivamente para o lazer. Sua configuração com apenas 3 motores traz um grau de pilotagem elevado se comparado com configurações baseadas em um número par de motores. Uma particularidade desse modelo é a necessidade de um servo na cauda, que faz o direcionamento do nariz (frente da aeronave) conforme a inclinação do motor traseiro. É um tipo de drone complexo, mas muito bonito e chamativo em vôo.

– Quadricóptero: é a configuração que todos conhecemos, composta por 4 motores, geralmente dispostos em formato de X. Os quadricópteros são drones fáceis de pilotar e extremamente versáteis, pois apresentam a melhor relação custo x benefício, uma boa capacidade de carga, tempo de vôo, velocidade e até mesmo manobrabilidade. Sua versatilidade se dá graças à gama de tarefas que ele pode executar: um quadricóptero pode muito bem servir para lazer, fotografia amadora e profissional, topografia ou qualquer outra atividade que não exija grande capacidade de carga.

 

– Hexacóptero: Os hexacópteros são voltados para tarefas que um quadricóptero não é capaz de fazer, devido às suas limitações de carga e autonomia. Um drone com 6 hélices consegue carregar baterias maiores – o que aumenta seu tempo de vôo – e também consegue carregar uma quantidade maior de cargas, o que faz dele ideal para tarefas de mapeamento, coleta de dados e estudos em grandes áreas, sendo muito utilizado na agronomia, mineração e proteção florestal. Apresentam maior estabilidade em vôo, velocidades intermediárias, custo mediano, boa autonomia e boa capacidade de carga.

– Octacóptero: São os drones mais fortes do mercado. Foram desenvolvidos na intenção de carregar cargas com peso elevado e ter uma ótima autonomia de vôo – motivos pelas quais vem sendo testados na entrega de produtos por diversas empresas pelo mundo. Sua configuração apresenta a maior estabilidade de todos os multirotores listados, mas também é o mais lento e o mais caro: sua configuração com 8 motores e suas aplicações específicas faz com que o investimento em peças de boa qualidade seja de suma importância. Como já citado antes, são muito utilizados no transporte de cargas, produções cinematográficas e até mesmo em resgates, auxiliando as equipes de solo durante as buscas e carregando os suprimentos necessários.

– Drone Racer: Os racers são uma categoria de drones voltada exclusivamente para o lazer e com alto grau de dificuldade na pilotagem. São quadricópteros pequenos que apresentam altíssimas velocidades (a maioria deles é capaz de atingir os 100 km/h!!!) e uma manobrabilidade absurda, o que permite aos pilotos mais experientes a execução de manobras e corridas de tirar o fôlego.

Anatomia de um drone

Drones são máquinas compostas por diversas partes, cada uma com sua respectiva função. Veja cada uma delas:

– Controladora de vôo:

É o cérebro do drone. A controladora de vôo é quem faz a estabilização e compensações necessárias conforme instruções vindas de sensores contidos na própria placa, como acelerômetro, barômetro, giroscópio e magnetômetro, do sistema de GPS e telemetria, bem como do piloto através do rádio controle. Essas informações são enviadas para um microcontrolador que interpreta os dados e repassa para os motores. Existem diversas controladoras no mercado, indo desde controladoras de entrada, como a KK2 que possui um microcontrolador Atmega de 8 bits e apenas mantém o drone estabilizado, até controladoras de luxo, como a Pixhawk, que roda um sistema operacional baseado em Linux e possui um microcontrolador ARM de 32 bits, além das diversas conexões de expansão para sensores e outros add-ons. Controladoras mais avançadas permitem a instalação de sensores de obstáculos, conexão com GPS, Sonar e a seleção entre diversos modos de vôo pré-definidos, adequando-se à necessidade do piloto. Esses modos de vôo permitem que o piloto alterne entre um ou outro sensor, faça vôos auxiliados pelo GPS, missões automáticas e até mesmo o retorno e pouso da aeronave exatamente no local de decolagem.

À esquerda uma controladora Pixhawk e, à direita, uma KK2.1

– ESC: Os ESCs são os controladores de velocidade dos motores. São dispositivos que interpretam os sinais enviados pela controladora e controlam a velocidade dos motores, fazendo com que as hélices girem e o drone voe. Para saber mais sobre esse componente, veja nosso post clicando aqui.

– Hélice: São as “asas” do drone. Seu movimento rotativo faz com que o drone ganhe sustentação e se mantenha no ar. Ao montar um drone, deve-se observar as características do motor usado, sentido de giro e o tamanho da hélice recomendada. As medidas são sempre expressas com o tamanho da hélice e o valor de passo, ambos em polegadas.  Por exemplo, uma hélice 11×4.7 possui 11 polegadas de comprimento e 4,7 polegadas de passo, ou seja, a cada 1 giro completo, essa hélice se desloca 4,7 polegadas no ar. Para entender melhor esse conceito, vamos associar com um parafuso: o passo da hélice simboliza o quanto esse parafuso enrosca na madeira a cada volta que damos nele! Quanto ao sentido de giro, devem acompanhar o motor: o motor que gira no sentido horário obrigatoriamente deverá usar uma hélice do tipo CW (clockwise, em português “sentido horário”), assim como o motor anti horário usará uma hélice CCW (counter clockwise, em português “sentido anti-horário”). Caso não siga essa lógica, seu drone sequer sairá do chão!!!

– Motor: como vimos anteriormente, um drone pode ter de 3 a 8 motores, de acordo com a configuração desejada. Para facilitar o entendimento, vamos considerar um quadricóptero em nossos exemplos. Eles possuem 4 motores, sendo dois girando no sentido horário e dois no sentido anti-horário para compensar o torque produzido pelas hélices (falaremos sobre isso mais abaixo). Devem ser observadas características como empuxo (a força do motor para tirar o drone do chão), tensão, corrente (para o dimensionamento do ESC) e KV – que nada mais é que a quantidade de giros por Volt aplicado. Multiplicando-se o KV pela tensão da bateria, encontramos o RPM nominal desse motor.
Ex.: um motor de 820KV tem cerca de 9.800 RPM nominais quando acionado com 12V, sendo o cálculo RPM = KV x Vbat.
Outro dado importante é a relação entre motor e hélice: motores com KV baixo exigem hélices maiores, bem como motores com KV alto exigem hélices menores. Essa relação é que determina o empuxo nominal dos motores.

– Bateria: É a fonte de energia do seu drone. São baterias de alta capacidade de descarga, geralmente de LiPo e são classificadas de acordo com a quantidade de células, capacidade e taxa de descarga.

A bateria da imagem acima é uma 3S de 2200mah e 30C de descarga. Mas, o que isso significa?

De forma simples, o valor “S” determina a tensão da bateria. Baterias de LiPo tem a tensão nominal de 3,7V por célula, logo, uma bateria 3S possui 11,1V nominais (Vbat = S x 3,7), podendo atingir 4,2V quando totalmente carregadas.

A capacidade nominal dessa bateria, que no nosso exemplo é de 2,2Ah, sempre será expresso em mah (miliampère-hora). A taxa C, também chamada C-rate, expressa o pico de corrente que essa bateria pode fornecer e é calculado pela fórmula (Apico = C x Anominal). Isso significa que a bateria do exemplo pode fornecer 30x sua capacidade nominal, o que resulta em em um pico 66A durante alguns segundos. Esse valor deve ser observado pois os motores exigem uma alta corrente para romperem sua inércia e, caso a bateria não consiga suprir essa demanda, poderá ficar danificada permanentemente.

– Rádio e Receptor: São os responsáveis pela interação entre piloto e máquina. O rádio, também chamado de transmissor, envia os comandos aplicados pelo piloto e o receptor faz a leitura e repassa esses sinais à controladora, que interpreta e por sua vez repassa aos motores. Para saber mais, acesse nosso post sobre o assunto clicando aqui.

– Frame: O frame, em alguns casos também chamado de shell, é o chassi do drone. Nele embarcamos todos os sistemas necessários para que a aeronave consiga voar e seu tipo é definido também pela quantidade de motores que a máquina possui. Um dado importante é a classe do drone, que nada mais é que a envergadura do frame, expressa em milímetros. Veja na foto abaixo dois exemplos:

O primeiro frame é um F450, ou seja, esse frame possui uma envergadura de 450mm, medida sempre na diagonal de uma ponta a outra dos braços do frame. Na segunda foto temos um frame para drones racer classe 250, o ZMR250.

Opcionais:

– Telemetria: É um sistema baseado em transceptores, dispositivos capazes de transmitir e receber os dados vitais de navegação, sinal, bateria e diversas outras informações. Essas informações podem estar vinculadas somente com sistema de rádio controle, limitando-as à intensidade do sinal (RSSI) bem como na controladora do drone, o que nos permite a alteração de parâmetros em vôo, configuração e cancelamento de missões automáticas e muito mais.

– GPS e Bússola (Compass): São os sistemas de posicionamento do drone. Através deles a aeronave consegue identificar onde está no globo e o norte magnético. Com um sistema de GPS embarcado, os drones são capazes de manter sua posição travada em vôo, executar missões automáticas, onde o piloto define a rota de vôo desejada e o drone segue rigorosamente os locais marcados. Outra função muito interessante que o GPS nos permite é o retorno automático em caso de perda de sinal de rádio ou bateria próxima do fim.

– Gimbal: é o responsável pela estabilização da câmera principal do drone. Existem gimbals de 2 ou 3 eixos e seu funcionamento está inteiramente alinhado à controladora de vôo. Seus sensores identificam as correções que a controladora aplica ao drone e repassa aos seus atuadores, que podem ser motores ou servos, mantendo a perfeita estabilização da câmera durante o vôo.

– FPV: o FPV (First Person View, ou Visão em Primeira Pessoa) é um sistema muito utilizado para se ter a visão “a bordo” do drone. Pode ser usado para lazer e também para fins profissionais, auxiliando no enquadramento da câmera para fotografias e filmagens aéreas. Consiste numa micro câmera CCD ou CMOS, similar às utilizadas em sistemas de segurança, um transmissor de vídeo (VTX) e um receptor, que pode ir acoplado a um óculos de FPV, uma tela ou ao celular, de acordo com o modelo escolhido.

 

Funcionamento:

Para entendermos um pouco mais sobre o funcionamento de um drone, precisamos aprender como ele se mantém no ar. Veja só:

Nos aviões, as asas são responsáveis por manter a aeronave no ar, gerando sustentação enquanto o avião se desloca para frente. Isso acontece graças ao formato da asa, também chamado perfil, que causa uma diferença de pressão entre as faces superior (extradorso) e inferior (intradorso), conforme pode ser vista no gif abaixo.

Veja que as moléculas de ar no extradorso tendem a fluir com maior velocidade, ocasionando uma baixa pressão em relação ao intradorso. Essa diferença de pressão empurra a asa do avião pra cima e é isso que o faz voar!

Nos drones a teoria é semelhante aos helicópteros: como não possuem asas, a sustentação é gerada a partir do movimento rotativo das hélices, que também possuem um perfil, atuando como asas e por isso recebem o nome de Asas Rotativas.

Perfil da hélice e angulação de pá responsável pelo efeito de parafuso comentado anteriormente

As hélices girando em sentido contrário são necessárias pois essas aeronaves possuem a tendência de girar juntamente com o motor. Nos helicópteros quem anula esse efeito é aquela pequena hélice na cauda, com a função de anti-torque. Nos drones, as hélices girando em sentidos opostos fazem essa compensação, mantendo a frente sempre alinhada.

Vôo e controles:

Com os conhecimentos acima, nós já somos capazes de entender como um drone voa e é controlado. De maneira simples, o que tira o drone do chão é o deslocamento de ar produzido pelas hélices direcionado para baixo, aliado à sustentação, que o mantém voando.

Os controles de vôo são aplicados pelo piloto através do rádio controle. Sua orientação padrão é observando o drone por trás, em terceira pessoa e e recebem os seguintes nomes:

Roll (Aileron) – Responsável por mover o drone para a direita ou para a esquerda.

Pitch (Elevator) – Responsável por mover o drone para frente ou para trás.

Throttle (acelerador) – Responsável pela aceleração conjunta de todos os motores, ocasionando a subida ou descida da aeronave.

Yaw (Leme) – Responsável por direcionar a frente do drone.

Como é possível observar, para cada comando existe o acionamento de motores em específico. Esse acionamento nada mais é que um aumento na rotação, fazendo com que uma maior massa de ar seja deslocada pelas hélices e a reação do drone a isso é uma inclinação contrária que varia de acordo com a intensidade do comando aplicado, permitindo assim o controle da aeronave em vôo.

 

Conclusão:

Hoje aprendemos um pouco sobre o funcionamento e vôo dos drones. Esperamos que seu interesse sobre o assunto tenha sido despertado e sugerimos que fique ligado no nosso blog, teremos muitas novidades envolvendo essas espetaculares máquinas voadoras.

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Samuel Martins
Samuel Martins
Cursando Eletroeletrônica no SENAI CETEL. Fanático por eletrônica, automação, impressão 3D e afins, dedico meu tempo livre a pesquisas e projetos ligados às principais áreas de interesse, pratico aeromodelismo e sou curioso por astrofotografia.
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