Há várias e boas razões para se ter uma formação no curso superior de Tecnologia em Mecatrônica. Isto vai além do tradicional comandar robôs de uma fábrica para automatizar processos produtivos. Boas razões envolvem coisas que ajudem a melhorar a qualidade de vida e nos conduzam aos limites da inovação tecnológica hoje e no futuro. Podemos citar vários motivos pois, atualmente a mecatrônica ajuda a aprimorar uma vasta gama de coisas que influenciam nosso futuro. Aqui vão algumas delas:
· Criar sistemas para agricultura de precisão que ajudam a reduzir custos e melhor a eficiência, produzindo mais em áreas menores.
· Desenvolver biossensores de alta tecnologia para melhorar os sistemas de segurança de residências.
· Projetar sistemas de visão artificial para veículos de transporte urbanos autônomos.
· Criar um sistema de armazenamento de energia solar sustentável.
· Produzir eletrodomésticos inteligentes que o ajudem nas necessidades do dia a dia.
A Mecatrônica desenvolve projetos eletromecânicos automatizados, é uma categoria interdisciplinar que realiza a integração das engenharias mecânica, eletrônica e elétrica. Devemos também considerar, na prática da mecatrônica, a importância dos conhecimentos em materiais, suas ligas e propriedades físico-químicas. Tais características são fundamentais e determinarão a vida útil de um equipamento ou dispositivo mecatrônico. Pensando nisto, vamos abordar neste artigo, como os conhecimentos da mecatrônica são determinantes para o projeto dos Drones que estão presentes em muitas destas inovações tecnológicas.
De acordo com a Wikipédia, os Drones são veículos aéreos não tripulados (VANT), também conhecidos como aeronave remotamente pilotada (ARP). Resumindo, é qualquer tipo de aeronave que não necessite de piloto embarcado para ser conduzida. Estas aeronaves são controladas à distância, sob a supervisão humana, ou mesmo sem a sua intervenção, por meio da programação de Micricontroladores.
A tecnologia dos Drones evoluiu muito rapidamente, inicialmente era apenas para uso militar, porém esses robôs voadores agora têm um lugar garantido entre as empresas comerciais. Os Drones hoje têm aplicações comerciais práticas, como a entrega de compras efetuadas pela Internet, permitir que corretoras de imóveis façam vídeos aéreos para mostrar uma propriedade à venda, monitoramento de pragas em cultivos, dispositivos assistivos para idosos e pessoas com deficiência etc. Assim as tecnologias de robótica e mecatrônica se tornaram essenciais para o desenvolvimento de dispositivos para apoiar a vida humana e a sociedade. Vamos aos componentes
Motores Elétricos
A grande maioria dos Drones comerciais utilizam motores de indução (sem escovas) como propulsores. As vantagens dos motores sem escova são a alta relação potência-peso, alta velocidade, controle quase instantâneo de velocidade e torque, alta eficiência e baixa manutenção. Os motores sem escova tem maior eficiência produzindo mais torque por watt , maior confiabilidade, ruído reduzido, menor atrito, vida útil mais longa. Eliminação de faíscas ionizantes do comutador e uma redução geral da interferência eletromagnética. Este tipo de motor tem poucos componentes internos, basicamente o rotor e o estator, que podem ser totalmente fechados e protegidos contra sujeira e outros materiais estranhos. Um controlador ESC pode ajustar a fase e a amplitude dos pulsos de corrente DC para controlar a velocidade e torque do motor.
A distância entre o rotor e o estator é chamada de Air Gap (vão de ar). O Air Gap tem efeitos importantes e geralmente é projetado para ser o menor possível. Um grande Air Gap tem um forte efeito negativo no desempenho, e é a principal fonte do baixo fator de potência em que os motores operam. A corrente de magnetização aumenta com o Air Gap. Por este motivo esta distância deve ser mínima.
Ao escolher os motores, deve-se levar em conta principalmente, a capacidade de propulsão em relação ao tipo de hélice utilizada. Esse deve ser o primeiro ponto de análise para estimar a propulsão necessária levando-se em conta o peso total da aeronave, pois o Drone depende unicamente da força dos motores para manutenção do voo e para a realização de manobras.
Controladores ESC
Para controlar a rotação de um motor trifásico é necessário um controlador de potência que contenha inversores, sensores e um circuito que seja capaz de controlar os acionamentos. Um ESC é controle eletrônico que controla e regula a velocidade, aceleração e desaceleração dos motores. Muitos ESCs também fornecem reversão do motor e frenagem dinâmica.
Os ESCs mais recentes usam algoritmos FOC (Field-Oriented Control) para maior capacidade de resposta no controle de precisão do motor. O FOC usa o controle de corrente para controlar o torque de motores trifásicos e motores de passo com alta precisão e largura de banda. O controlador remoto do dispositivo (joystick) envia sinais de dados para o controlador de voo do Drone, que então encaminha o sinal para o ESC e, em seguida, para o motor.
A engenharia da computação é essencial para estabelecer a comunicação entre todos os componentes e processar os algoritmos de controle. Os comandos são enviados ao microcontrolador por meio de um receptor de rádio modulando o sinal para fazer comunicação PWM. Os dados dos sensores são lidos, fatorados e, em seguida, combinados com os comandos do controlador por meio do algoritmo. Os sinais de saída são enviados para os dispositivos ESCs e motores via PWM.
Microcontroladores
Em uma aeronave com muitos propulsores, a dinâmica de voo pode ser bastante complexa e a sua operação em um modo totalmente manual é impraticável. Isto ocorre devido às inúmeras variáveis envolvidas como as diferenças entre os motores, vento, turbulências. Neste sentido, o avanço das tecnologias de sistemas embarcados com microcontroladores cada vez mais rápidos e eficientes, em conjunto com os controladores ESC/PWM e o software que realiza todo o controle, tem permitido novos projetos muito inovadores.
O microcontrolador é um computador que recebe o programa que contém os sistemas de navegação e controle. Esse circuito, dependendo do aparelho, pode receber também um módulo de GPS, que permite a navegação precisa de voo. Usando posições de localização via satélite, é possível traçar previamente um o plano de voo e decolar com o Drone que seguirá à risca a rota projetada pelo programa no controlador.
O microcontrolador também pode receber as instruções de navegação por controle manual e as transmite para os motores, aumentando ou diminuindo a aceleração e a altitude. Dependendo do aparelho, há recursos de transmissão de dados em tempo real para o monitoramento de voo pelo controlador, dados que vão desde a quantidade de energia restante nas baterias, até imagens captadas por uma câmera embutida.
Baterias Li-ion e LiPo
O mundo dos eletrônicos portáteis tem grande dependência das baterias como fonte de energia. As melhores opções da atualidade são as de íon-lítio (Li-Ion) e as de íon-polímero (Li-Po). O lítio é uma das melhores opções do grupo de metais alcalinos por ter desempenho superior entre peso e capacidade de armazenamento de energia.
Uma bateria é constituída por dois eletrodos, o positivo (cátodo) e o negativo (ânodo), estes elementos conectam um circuito elétrico a uma parte metálica. Nas baterias Li-Ion os elementos metálicos são utilizados como cátodo, nas baterias Li-Po o cátodo é constituído de polímeros. Ambas utilizam o lítio é utilizado como ânodo. A diferença, então, fica bem clara, os polímeros na LiPo são mais maleáveis e estão envoltos em um material flexível, dobrável, diferente da proteção rígida que envolve as células em formato cilíndrico das Li-Ion. Apenas essa alteração já permite que o tipo de bateria LiPo seja pelo menos 20% mais leve. Outra diferença básica entre os dois tipos é em relação à densidade de energia. As Li-Po possuem uma densidade maior, ou seja, uma bateria deste tipo consegue oferecer mais carga do que uma Li-Ion do mesmo tamanho. O resultado disso na prática é que as Li-Po podem ser mais finas e ainda assim oferecer uma quantidade de carga maior.
Mecânica e Controle de Voo
Os multcópiteros são Drones que utilizam vários rotores em conjunto. Denominamos de rotores os propulsores elétricos formados pelo motor elétrico e pela hélice. Normalmente, utiliza-se pouquíssimo metal e materiais plástico, o metal está nos parafusos, na bateria e nos motores, a maior parte da estrutura dos Drones são compostos de fibra de carbono. A fibra dá resistência e leveza, enquanto o plástico é usado em pontos da estrutura que não são cruciais para a resistência do aparelho. Os motores elétricos giram as hélices que dão sustentação ao voo do dispositivo, adotando o mesmo princípio que explica como os helicópteros voam. As hélices empurram o ar para baixo. Com o rotor empurrando o ar para baixo, o ar empurra o rotor para cima. Esta é a ideia básica por trás da sustentação. Quanto mais rápido os rotores giram, maior a sustentação e vice-versa.
Controlar a velocidade especifica de cada um dos rotores é determinante também para o controle de voo. Para pairar no ar, o impulso dos rotores empurrando o Drone para cima deve ser igual à força gravitacional que o puxa para baixo. Para subir, aumente a velocidade dos rotores. A descida requer exatamente o oposto, simplesmente diminua a velocidade do rotor. O movimento para a frente ou para trás é realizado aumentando ou diminuindo a velocidade de rotação dos conjuntos de motores dianteiros ou traseiros, isto irá mudar o ângulo de inclinação e impulsionar. Da mesma forma, aumentando ou diminuindo a velocidade de rotação dos conjuntos de motores direito e esquerdo, é possível também alterar a inclinação para a esquerda ou direita. Girar em torno do próprio eixo é um movimento obtido de forma interessante, neste caso os conjuntos diagonais de motores giram em direções opostas. Veja a imagem a seguir, os motores em verde CW giram no sentido horário, enquanto que os motores CCW em azul giram no sentido anti-horário.
Você certamente notou que cada movimento é realizado alterando a velocidade de rotação de um ou mais rotores. Para fazer isso, basta um microcontrolador que pode aumentar ou diminuir a tensão de cada motor. Isso não é muito difícil de configurar. Com um Drone de 4 rotores, por exemplo, seria muito difícil ajustar manualmente a potência de cada motor para atingir o movimento desejado. No entanto, você pode utilizar um sistema de controle remoto por rádio, basta simplesmente empurrar o botão do joystick com o polegar e deixar que o computador controle todo o sistema.
Um grupo de sensores dos tipos acelerômetro e giroscópio podem aumentar ainda mais a facilidade e a estabilidade do voo, fazendo ajustes mínimos na potência de cada rotor. Adicione um sistema GPS e você pode praticamente se livrar da do piloto embarcado. Portanto, compreenda que pilotar um Drone é muito fácil se o computador estiver bem programado para fazer todo o trabalho. Mas ainda é bom entender a física por trás de todo o processo. Aumentar a autonomia de voo está relacionado a escolha dos melhores componentes e materiais do projeto aerodinâmico. Drones de uso militar utilizam propulsores a combustão, usam asas para gerar sustentação, isto os torna mais eficientes e usam menos energia para longas distâncias, mas não têm a agilidade de multicópteros.
Como foi visto, o projeto, a escolha dos componentes e materiais, entre outros, são uma parte muito importante dos conhecimentos da mecatrônica que tem um papel fundamental para o sucesso das inovações tecnológicas recentes.
Aguardamos vocês em nosso curso superior de Tecnologia em Mecatrônica.
Referências
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