Dispositivo e princípio de funcionamento de um quadrocóptero

Hoje em dia, a ideia de um drone é bem conhecida de um vasto público de jovens. Estes aparelhos práticos são utilizados em vários domínios profissionais. Atualmente, os drones são utilizados na filmagem de programas de televisão, substituindo as dispendiosas suspensões robóticas de câmaras. No entanto, como é que este dispositivo está estruturado?? Para aqueles que não estão familiarizados com a construção e o funcionamento de um quadricóptero e a sua finalidade, vamos dar uma breve explicação.

Uma pequena explicação dos conceitos

O que é exatamente um quadrocóptero ou multicóptero? Trata-se de um dispositivo voador que utiliza várias fontes de potência de elevação, como hélices ou motores a jato. No caso de um quadrocóptero, este é constituído por quatro motores, enquanto um multicóptero pode ter até 12 motores. O design de um quadrocóptero é estruturalmente robusto e pode ser construído com materiais leves. Esta redução de peso permite uma plataforma de hardware mais simples, resultando numa maior autonomia e numa funcionalidade melhorada do dispositivo. Atualmente, os quadrocópteros têm a distinção de serem os mais simples em termos de programação de movimentos e de construção técnica.

Princípios gerais de construção

Um quadrocóptero com uma câmara, ou um modelo básico, é construído em torno de uma estrutura robusta, que serve como o principal componente da sua estrutura. As pernas do quadrocóptero estão posicionadas nos cantos da estrutura, com motores ligados a elas. Para aumentar a comodidade do utilizador, alguns quadrocópteros utilizam blocos rotativos nestas junções. Estes joelhos rotativos não só permitem o contacto elétrico, como também oferecem a conveniência de uma dobragem compacta, facilitando o transporte do dispositivo pelo proprietário. Para facilitar a aterragem, são fixadas corrediças na parte inferior da estrutura. O design destas lâminas pode variar significativamente. Os quadrocópteros topo de gama assemelham-se a helicópteros, com robustas corrediças metálicas. Em contrapartida, os modelos mais económicos podem apresentar apenas pontas de borracha finas diretamente coladas à estrutura.

Dica: Se precisar de um quadrocóptero para tarefas específicas que envolvam um posicionamento preciso e a aterragem numa superfície irregular, é aconselhável optar por um modelo com pernas finas.

O quadro elétrico tem também uma função decorativa. É o componente mais proeminente da estrutura, moldando o aspeto geral do quadrocóptero. Cada fabricante esforça-se por tornar o seu dispositivo não só funcional, mas também esteticamente agradável, elegante e apelativo para os potenciais compradores à primeira vista. Por conseguinte, as estruturas são fabricadas em várias formas, muitas vezes com dimensões que não indicam necessariamente o tamanho dos componentes internos.

Como voa

• O quadrocóptero inicia o seu voo ligando simultaneamente todos os seus motores;
• Muda de direção inclinando-se para o lado e alterando as rotações do par de motores esquerdo e direito;
• Durante a descida, a força de elevação gerada pelo quadrocóptero é inferior ao seu peso;
• Para ganhar velocidade em linha reta, o quadrocóptero ajusta os modos de funcionamento do seu par de motores dianteiro e traseiro.

Dos pontos acima mencionados, torna-se evidente que o quadrocóptero funciona com base no mesmo princípio que os helicópteros. No entanto, em vez de inclinar o eixo da pá, o quadrocóptero utiliza a diferença nos indicadores de fluxo de ar nos seus lados para gerar força lateral.

Compreender como é que o quadrocóptero roda no lugar pode ser um desafio. No entanto, um helicóptero de grandes dimensões pode fornecer algumas informações. Num helicóptero de grandes dimensões, a pá principal roda numa direção, mas transmite o binário ao corpo na direção oposta. Isto ajuda a compensar qualquer rotação parasita, e o helicóptero também tem uma lâmina na cauda para maior estabilização.

O quadrocóptero funciona segundo um princípio semelhante no que respeita à rotação. Quatro hélices que funcionam aos pares, tendo cada par pás duplas que rodam em direcções diferentes. Estes pares de hélices são concebidos para gerar momentos iguais e opostos às mesmas rotações. Quando o drone precisa de rodar em torno do seu eixo, um par de hélices diminui a velocidade do motor, criando um binário que faz rodar toda a estrutura.

Os principais elementos funcionais

O design do quadrocóptero é relativamente simples. O quadro elétrico está encerrado numa caixa decorativa e é constituído pelos seguintes componentes:

• bateria de iões de lítio;
• componentes electrónicos;
• módulos de rádio e transmissores para sinais de controlo remoto;
• unidade de sensor;
• blocos de conversão de tensão ou de conversão de frequência.

Os elementos mais visíveis do quadrocóptero estão localizados nas pernas remotas, que são os motores eléctricos. Consoante a classe do modelo, estes motores podem ser produtos com controlo de frequência sem coletor. Nos quadrocópteros mais simples, são utilizados os clássicos motores colectores, que têm lâminas instaladas nos seus eixos que criam um fluxo de ar descendente.

Enchimento inteligente

De acordo com o ponto de vista prevalecente entre os especialistas em aerodinâmica, é agora possível que até um objeto tão pesado como um tijolo possa voar. E o quadrocóptero é um excelente exemplo desta noção. Este modelo em particular depende inteiramente da eletrónica para o controlo. Sem ele, conseguir um comportamento previsível do aparelho voador no ar seria uma tarefa inultrapassável.

O giroscópio desempenha um papel fundamental no funcionamento do sistema de controlo eletrónico do quadrocóptero. Este sensor é responsável pela determinação da rotação do avião no ar. As suas leituras são utilizadas para regular o funcionamento dos motores, garantindo assim a estabilidade do helicóptero durante o voo. Os giroscópios de última geração têm a capacidade de detetar alterações na posição da estrutura em todos os seis graus de liberdade.

Outros sensores do sistema desempenham um papel importante. São estes sensores que permitem um controlo cómodo da máquina voadora e uma funcionalidade útil.

1. O acelerómetro desempenha um papel crucial no controlo da deslocação do drone. Com o controle de aceleração, o drone é capaz de pairar em um ponto específico definido pelo operador, mantendo a altitude. Os modelos de topo de gama podem até seguir a deslocação causada pelo vento e regressar à sua posição original.
2. O barómetro é um sensor extremamente útil para drones com boa altura de elevação e autonomia. O operador só precisa de definir a altitude de voo desejada (mínima ou máxima) ou pairar.
3. Sonar. Uma combinação de transmissor e recetor ultrassónico que pode ser encontrada em modelos topo de gama, minimizando eficazmente o risco de acidentes. O drone é capaz de controlar autonomamente o seu processo de aterragem, evitar obstáculos e parar antes de atingir paredes. O sonar também pode funcionar em conjunto com um acelerómetro para medir com precisão a altura do voo.
4. Módulo GPS. Esta caraterística é normalmente encontrada em drones recreativos especializados ou premium. Ao utilizar os sinais deste sensor, o drone é capaz de determinar a sua localização exacta. O operador tem a possibilidade de programar a trajetória de voo, criar um modo de patrulha e muito mais.
5. Câmara. Atualmente, a procura deste tipo de dispositivos está a aumentar de forma constante. Câmaras avançadas com utilização eficiente de energia podem proporcionar uma excelente nitidez de imagem. Dependendo da gama de preços do quadcopter, estão disponíveis várias funcionalidades. A câmara aérea pode ter uma capacidade de visão frontal fixa ou estar equipada com uma função versátil de rotação e focagem automática.

Cada bit de informação produzido pelos sensores é analisado por um processador central. A maioria dos fabricantes de drones fiáveis desenvolve as suas próprias soluções personalizadas. Nos drones económicos, são instalados chips básicos e todo o programa é codificado, impedindo quaisquer modificações.

Os modelos topo de gama são construídos com memória flash. O utilizador tem a capacidade de programar o drone até um certo ponto, configurando padrões de comportamento, trajectórias de voo e definições adicionais.

Controlos do helicóptero

Uma vez que a estrutura e o voo de um quadrocóptero tenham sido explicados em pormenor, a atenção deve voltar-se para o operador. A máquina voadora requer controlo, e é crucial fazê-lo de forma confortável, conveniente e precisa. Atualmente, estão disponíveis inúmeras opções para os operadores.

1. Um controlo remoto controlado por rádio permite ajustar a altura e a rotação de um drone, mas não tem a capacidade de fornecer feedback. Este dispositivo possui dois joysticks separados para controlar a altitude e as curvas, respetivamente. Além disso, inclui vários botões de função, como pairar, aterragem automática e virar. A principal vantagem deste controlo remoto via rádio é o seu grande alcance, enquanto a desvantagem reside na possibilidade de interceção ou bloqueio do sinal.
2. É necessário um smartphone para operar o drone, e este só pode ser controlado dentro do alcance do transmissor WiFi. O alcance para smartphones normais é de até 100 metros sem quaisquer obstáculos no caminho do sinal. No entanto, se houver uma receção estável de rede sem fios de fornecedores globais de Internet na área de voo, o alcance do voo controlado do drone pode ser ilimitado. Além disso, os programas de controlo do smartphone podem receber o sinal de vídeo da câmara do quadricóptero.

É importante notar que os drones para fins especiais têm os seus próprios complexos de programas, que permitem um feedback máximo. Estes complexos não só permitem a criação de planos de voo e descrições de tarefas, como também fornecem dados em tempo real sobre a sua execução. Além disso, são capazes de apresentar a transmissão em direto da câmara do drone.

No mercado atual, é fácil comprar drones de várias classes. Vão desde brinquedos baratos do tamanho da palma da mão, concebidos para entretenimento em espaços interiores, equipados com webcams e conetividade com smartphones, até modelos mais caros e altamente funcionais com capacidades de carga útil. A chave é determinar com exatidão as tarefas necessárias e estar preparado para investir em conformidade.

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