Drone: Construa o seu do zero – Parte 2

On 11 de dezembro de 2016 by admin

Nesta segunda parte, vamos falar sobre os dois primeiros componentes principais na criação do drone quadricóptero. Comecemos pela estrutura física do drone quadricóptero.

Estrutura física (armação ou frame)  do Drone

Como já foi mencionado, os motores, hélices, bateria e demais sistemas e componentes devem ser fixados numa estrutura física ou numa armação (frame). O frame é a estrutura que mantém todos os componentes juntos. Precisa ser projetada para ser resistente e rígido o suficiente. Minimizamos assim as vibrações geradas pelos motores, mas ao mesmo tempo deve ser leve. Caso contrário será necessário utilizar componentes mais caros, como motores mais potentes e baterias com mais capacidade de carga, consequentemente mais pesadas.

Frames para drones multicopteros

A diferença dos frames pode ser primeiro definida pela quantidade e tipo de motores. Cada configuração tem caracteristicas especificas, como pode ser visto abaixo, por exemplo

Tricopter Drone

Tricopter Drone

Tricopter: Para voos mais leves com rapida resposta de controle de giro “yaw control”.

 

quadcopter drone

quadcopter drone

Quadcopter: Modelo mais comum, sem motores de auxilio

Hexacopter drone

Hexacopter: Mais potencia que o modelo a quad com um controle de giro “yaw control” melhor .

 

Octo Drone

Octocopter: Modelo mais potente e mais robusto.

 

 

 

Y6: Mais força e controle do que o modelo quad, mas não tão forte quando o hexa

 

X8: Mais forte que o hexa, mas menor e de melhor contato.

Frames para quadricópteros

No caso particular de multicópteros com 4 motores, os frames podem ter as seguintes formas, dependendo do propósito para o qual foi construído. Se você planeja fazer acrobacias ou realizar tarefas que envolvam voos em primeira pessoa (FPV), uma estrutura do Racing deveria ser sua primeira escolha. Se pretende fazer uso de câmeras para fotografias aéreas, tarefas de mapeamento geográfico, vigilância, uma estrutura do tipo mais comum, chamado de Utility é a melhor opção.

Tipos mais comuns de frames: Utility e Racing.

Tipos mais comuns de frames: Utility e Racing.

O frame de um quadricóptero consiste de duas ou três partes, que não necessariamente têm que ser do mesmo material. Na parte central ficam os componentes eletrônicos e o sistema de navegação. Presos à parte central ficam quatro “braços”, em cujas extremidades ficam os suportes para os motores.

 

Tipos de frames

Em geral, os frames são construídos em plástico, fibra de vidro, fibra de carbono, alumínio ou madeira. A fibra de carbono é o material mais rígido e capaz de absorver melhor as vibrações, no entanto, é o material mais caro.

O uso de trilhos ou tubos de alumínio também é comum, porque não são muito caros e são 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.

Frame construído em alumínio.

Madeiras, como o MDF, podem ser cortadas e usadas na forma de um “braço” para construir um frame. Esse tipo de material absorve melhor as vibrações dos motores do que o alumínio, mas seu material não é rígido o suficiente e se quebra com facilidade. Para a parte central, o compensado de madeira pode ser uma boa opção, porque é fácil de trabalhar, além de ter boa absorção das vibrações.

 

Tipos de Frame por aplicações do Drone

 

Aerial cinematography: Grande para carregar uma camera e um trem de pouso. Aplicações de uso outdoor para filmagens de longas distâncias

Sport: Estrutura leve para manobras mais rapidas e controle responsivo

Sport FPV: Estrutura leva com capacidade de transporte de câmeras e equipamentos extras

Mini: estrutura reduzida amplia capacidade de manobras e giros sobre o proprio eixo

Mini FPV: estrutura reduzida com capacidade de transporte de cameras e outros equipamentos

Geometria do Frame Quadricoptero

Em qualquer material, para o tamanho do “braço”, deve-se considerar a “distância motor-a-motor”, que se refere à distância entre o centro de um motor ao centro do outro no mesmo “braço”. Se o projeto for baseado na compra de um frame comercial disponível, normalmente as especificações mencionam medidas como 150, 200, 400, etc. Esse número corresponde ao comprimento da diagonal em milímetros de um motor a outro (distância motor-a-motor).

Distância motor-a-motor.

A seleção do material está ligada diretamente a quanto se pode gastar com uma estrutura. Uma estrutura barata e pesada reduzirá o tempo de voo, mas será menos cara a sua substituição em caso de quebra.

Motores do Drone

Quase todos os quadricópteros usam um tipo de motor chamado “Brushless Motor” (motor se escovas). Também chamados de rotores, os motores de corrente contínua sem escovas proveem o impulso necessário às hélices.

Motores brushless para multicópteros.

Como funcionam

Os motores brushless são similares aos motores DC normais, na medida em que bobinas e ímãs são usados para direcionar seu eixo. Entretanto, como o próprio nome diz, os motores brushless não têm uma escova no eixo, responsáveis definir o sentido da corrente nas bobinas.

Ao invés das escovas, o motor têm bobinas no centro do motor, as quais são fixadas na estrutura. A parte externa contém um certo número de ímãs montados num cilindro, presos ao eixo rotativo. As bobinas fixadas e os fios podem ser ligados diretamente, sem a necessidade de escovas.

Detalhes motores brushless.

 

 

Geralmente, os motores sem escovas giram numa velocidade muito maior e consomem menos energia numa mesma velocidade, comparados aos motores DC comuns. Portanto, são mais eficientes. Existe uma variedade de motores brushless, que se diferem pelo tamanho e pelo consumo de corrente. Ao escolher um motor, devemos nos ater ao seu peso, tamanho, tipo de hélice que estamos usando e como essas características afetam o consumo de corrente.

Diferentes tamanhos disponíveis.

Uma das principais informações que devemos observar ao buscarmos por um motor é seu valor em KV.

Esse valor indica quantas rotações por minuto (RPM) o motor é capaz de realizar, se alimentado com uma tensão em Volts.

O número de RPM pode ser calculado da seguinte forma:

RPM = x[KV] * y[V],

onde x é o valor de KV (na especificação do motor) e y é o valor de tensão fornecida pela bateria.

Identificação dos motores brushless

Os fabricantes costumam seguir uma convenção geral para o nome dos motores brushless. Por exemplo, se tomarmos o motor Turnigy Multistar 2209-980KV, a marca e o modelo são Turnigy Multistar.

O primeiro número (2209) deve ser quebrado em duas partes:

22 é o diâmetro, em milímetros, do estator (bobina de cobre no interior do motor) e

09 é a altura, em milímetros, do estator.

O segundo número (980KV) é o número de revoluções por minuto (RPM).  Esta é a velocidade que o  motor é capaz de realizar quando lhe é aplicada uma tensão de 1V.

O número KV é um indicador de potência do motor:

980KV * 12.6V = 12348 RPM.

Os motores disponíveis no mercado têm diferentes tamanhos, potências e formas de fixação na estrutura. Diferentes tamanhos de motores terão diferentes padrões de furos para parafusos. O construtor terá que verificar o frame e consultar a descrição dos motores, para ter certeza de que são compatíveis. O ideal é escolher o tamanho recomendado pelo fabricante do frame (no caso de uso de frames comerciais).

Detalhes relacionados à fixação do motor ao frame.

 

 

 

 

Basicamente, a escolha dos motores pode depender de vários aspectos do projeto:

  1. Autonomia da bateria: a soma das potências têm que estar dentro da capacidade máxima segura de carga da bateria;
  2. Aplicação: se o drone for utilizado para tarefas de transporte de objetos, precisa ter maior potência;
  3. Custo: motores mais potentes são, em geral, mais caros;
  4. Compatibilidade com o frame: é necessário pesquisar motores cuja fixação ao frame seja possível.

No próximo, vamos falar mais sobre as hélices e os Electronic Speed Controllers (controladores de velocidade).

Referências:

  1. Build a Quadcopter from Scratch – Hardware Overview. Disponível em: https://oscarliang.com/build-a-quadcopter-beginners-tutorial-1/
  2. Overview of Quadcopter Components / How to Select Parts. Disponível em: http://www.instructables.com/id/Overview-of-Quadcopter-Components-How-to-Select-Pa/
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