Drones: o desafio é voar!

O texto a seguir é uma reprodução do artigo que o colega Alexandre Brandão e eu escrevemos para a Revista Mundo Robótica. Trata-se de uma explicação geral sobre drones e suas características.
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Drones, cientificamente conhecidos como veículos aéreos não tripulados, estão cada vez mais presentes no nosso cotidiano. Em uma concepção inicial, estas aeronaves tinham como objetivo a realização de tarefas de inspeção de grandes áreas, que comumente eram realizadas por veículos tripulados. Mais além dessas aplicações, os Drones atualmente podem ser vistos como brinquedos de alta tecnologia.

Quadrotor Phantom.

Facilmente podemos encontrar um veículo do tipo helicóptero convencional, quadrotor (aeronave com quatro pás rotativas), avião ou dirigível, que pode ser guiado remotamente por pessoas sem muita experiência na área de controle de aeronaves. A facilidade na estabilização em voo e na realização de manobras se dá por causa dos dispositivos eletrônicos embarcados, como sensores microprocessadores. Esses dispositivos embarcados permitem que o ajuste na velocidade dos motores para estabilização da aeronave seja feito de forma automática. Tal característica só foi alcançada através de muito estudo, pesquisa e desenvolvimento nas áreas de eletrônica, computação e controle.

Parrot AR.Drone 2.0

Hoje em dia, mesmo as aeronaves radio-controladas mais simples já possuem diversos sensores em seu corpo. Por exemplo, a determinação da orientação da aeronave durante um voo é feita a partir dos chamados sensores inerciais (giroscópios e acelerômetros). Tais sensores são capazes de determinar a aceleração e a variação de orientação da aeronave nos 3 eixos cartesianos, o que é essencial para controlar sua estabilização. Para voos em ambientes externos, um receptor de GPS pode ser utilizado para determinar sua localização global, principalmente em voos de longa distância. Câmeras de vídeo podem ser utilizadas para auxiliar na navegação e para realizar registro da área navegada. Tais itens tornam estes veículos bastante atrativos para as mais diversas aplicações sejam em ambientes externos (por exemplo, campos abertos, cidades, regiões de montanhas, ambientes hostis) como em ambientes internos (por exemplo, escritórios, edifícios, galpões).

Alguns centros de pesquisa ao redor do mundo utilizam Drones para realização de manobras acrobáticas e experimentos de controle de formação (pelotão ou grupos de robôs). Eles contam com sistemas de rastreamento baseado em visão computacional, tais como, OptiTrack e Vicom System, para determinação com alta precisão da localização tridimensional das aeronaves (que comumente possuem marcadores reconhecíveis pelo sistema) e assim realizar missões de cooperação típicas de estratégias de guerra usando veículos tripulados.

Pequenos, mas precisos

A miniaturização dos Drones é algo que também está de moda. Cada vez mais vemos universidades e institutos apresentando aeronaves que cabem na palma da mão.

Mini-drone tipo quadrotor.

Apesar de não terem uma grande capacidade de carga, em virtude de suas dimensões físicas, elas desempenham tarefas importantes no que diz respeito ao controle cooperativo e de formação para a realização de tarefas de inspeção. Imagine utilizar drones observando uma área de floresta para busca de pessoas perdidas, por exemplo. A tarefa pode ser realizada de forma muito mais eficiente por um grupo de pequenos drones do que por um drone grande e poderoso. Além disso, há uma maior garantia de cumprimento da tarefa, pois a falha de um ou mais Drones não irá comprometer totalmente sua realização (execução). O filme Operação Big Hero (Big Hero 6) ilustra muito bem como um enxame de pequenos robôs pode aumentar a eficiência e a gama de aplicações de um sistema robótico.

Os drones podem ser divididos em veículos aéreos de hélices coaxiais ou multirrotores (como os quadrotores), de asas fixas (como aviões e planadores), de asas oscilantes (tipo pássaros) ou de asas rotativas (como helicóptero). Sim, são consideradas asas as pás que giram para sustentar o helicóptero! Certamente você já viu drones em forma de avião, helicóptero e quadrotor. Mas, se você ainda nunca viu um drone na forma de um pássaro, cuja propulsão vem do bater de suas asas, procure sobre o Smart Bird da empresa Festo.

Em termos de miniaturização, os Drones de asas rotativas ou multirrotores são mais fáceis de encontrar no mercado em dimensões reduzidas do que aviões, planadores, dirigíveis e aeronaves tipo pássaro. Por razões de aerodinâmica, os Drones de asas fixas ou oscilantes tendem a apresentar maiores dimensões físicas. Vale adicionar que os Drones de asas rotativas possuem uma maior manobrabilidade (capacidade de se deslocar nas várias direções do espaço tridimensional) e a capacidade de realizar voo pairado (ancorar sobre um ponto em terra a uma dada altitude). Em contrapartida, tais aeronaves são mais difíceis de controlar, quando comparadas às outras, exigindo certo grau de experiência dos usuários.

Desafios

Baterias de LiPo.

Um dos grandes desafios da atualidade está relacionado à autonomia de voo dos Drones. Baterias de diversas composições químicas têm sido utilizadas como fonte de alimentação dos sistemas de propulsão, sensoriamento e controle. Atualmente, as baterias utilizadas na ampla maioria dos drones são as de LiPo (Polímero de Lítio) por terem grande capacidade de carga e elevada potência. Porém, o tempo de voo das aeronaves comerciais utilizadas para fins de pesquisas ou aplicações de entretenimento ainda é pequeno, da ordem de quinze minutos de operação contínua. Apesar de parecer pouco tempo de voo, tal autonomia é suficiente para realizar inspeção em campos de pastagem, observação dos arredores de um edifício ou mesmo a realização de uma apresentação acrobática. Drones mais caros podem ter autonomia maior, como 30 a 45 minutos.

Finalmente, o que mais se espera hoje em dia é que os drones sejam capazes de voar de maneira completamente autônoma, sem nenhum tipo de interferência humana. Muitos grupos em todo o mundo estão trabalhando nesse problema, que não é de solução trivial. Alguns grupos têm se dedicado ao desenvolvimento de veículos e sistemas de controle que permitam voo em ambientes externos e outros em ambiente internos, inclusive detectando e desviando de obstáculos. Para isso, estão sendo desenvolvidos e aplicados novos sensores, novas técnicas de visão computacional, algoritmos inteligência artificial e teoria de controle. Esse é o passo final para a transformação dos drones em verdadeiros robôs autônomos. Vamos contribuir?

Fonte: Revista Mundo Robótica, ano 2, número 4, 2015.

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Até a próxima!