RODRIGO DUMMER DE AZAMBUJA

RODRIGO DUMMER DE AZAMBUJA

DESENVOLVIMENTO DE UM VEÍCULO AÉREO NÃO TRIPULADO PARA A INTELBRAS S.A.

Trabalho de Conclusão de Curso Submetido ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina como parte dos requisitos para obtenção do título de Tecnólogo em Design de Produto.

Professor Orientador: Prof. Heitor Gilberto Eckeli

RODRIGO DUMMER DE AZAMBUJA

DESENVOLVIMENTO DE UM VEÍCULO AÉREO NÃO TRIPULADO PARA A INTELBRAS S.A.

Trabalho de Conclusão de Curso Submetido ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina como parte dos requisitos para obtenção do título de Tecnólogo em Design de Produto.

Professor Orientador: Prof. Heitor Gilberto Eckeli

Eckeli. Eckeli. - Eckeli. - Florianópolis, Eckeli. - Florianópolis, SC, Eckeli. - Florianópolis, SC, 2017. 77 p. Trabalho Trabalho de Trabalho de Conclusão Trabalho de Conclusão de

Trabalho de Conclusão de Curso

Trabalho de Conclusão de Curso (TCC) Trabalho de Conclusão de Curso (TCC) -

Trabalho de Conclusão de Curso (TCC) - Instituto

Trabalho de Conclusão de Curso (TCC) - Instituto Federal de

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de Santa Catarina, Câmpus Florianópolis. de Santa Catarina, Câmpus Florianópolis. CST em

em Design em Design do

em Design do Produto.

em Design do Produto. Departamento

em Design do Produto. Departamento Acadêmico em Design do Produto. Departamento Acadêmico de Metal Metal Mecânica. Inclui Referências. 1. 1. VANT. 1. VANT. 1. VANT. 2. 1. VANT. 2. Drone. 1. VANT. 2. Drone. 1. VANT. 2. Drone. 3.

1. VANT. 2. Drone. 3. Segurança. 1. VANT. 2. Drone. 3. Segurança. 4.

1. VANT. 2. Drone. 3. Segurança. 4. Design. 1. VANT. 2. Drone. 3. Segurança. 4. Design. 5. 1. VANT. 2. Drone. 3. Segurança. 4. Design. 5. UAV. I.

I. Eckeli,

I. Eckeli, Heitor. I. Eckeli, Heitor. II.

I. Eckeli, Heitor. II. Instituto

I. Eckeli, Heitor. II. Instituto Federal I. Eckeli, Heitor. II. Instituto Federal de

I. Eckeli, Heitor. II. Instituto Federal de Santa

I. Eckeli, Heitor. II. Instituto Federal de Santa Catarina. Departamento

Departamento Acadêmico Departamento Acadêmico de

Departamento Acadêmico de Metal

Departamento Acadêmico de Metal Mecânica. Departamento Acadêmico de Metal Mecânica. III. Título.

O presente Trabalho de Conclusão de Curso apresenta um projeto em parceria com a Intelbras S.A. a fim de desenvolver um Veículo Aéreo Não Tripulado para integrar-se ao segmento de soluções para segurança do portfólio da empresa. Por meio da metodologia de projeto de Rozenfeld (et al, 2006), iniciou-se uma pesquisa pelos assuntos pertinentes para o desenvolvimento e conclusão deste tipo de produto, realizando um aporte metodológico de Design de Produto. O resultado é uma solução que atende as premissas básicas de captação e transmissão de imagens aéreas, resguardando a integridade física dos operadores, apresentando um baixo custo frente concorrentes e de aplicação em cenários adversos.

S.A. in order to develop an Unmanned Aerial Vehicle aiming to integrate the security solutions segment of the company portfolio. Through the project methodology of Rozenfeld (et al, 2006), a research was started for the subjects pertinent to the development and conclusion of this type of product, making a methodological contribution of Product Design. The result is a solution that meets the basic premises of capturing and transmitting aerial images, protecting the physical integrity of the operators, presenting a lower cost than competitors and applications in adverse scenarios.

Figura 02 - Matriz em São José, Santa Catarina Figura 03 - RPA americano Predator XP

Figura 04 - Modelos e tipos de VANT Figura 05 - Categorias populares Figura 06 - Arquitetura do quadrirrotor Figura 07 - Controlador de voo para VANT Figura 08 - Rx/Receptor

Figura 09 - Bateria LiPo TATTU 5100mAh, 11.1V, 3 células Figura 10 - Segmentos do GPS

Figura 11 - Módulo de GPS para VANTs Figura 12 - Sensor inercial (IMU)

Figura 13 - VANT quadrirrotor

Figura 14 - Disposições para multirrotores Figura 15 - Eixos de movimento

Figura 16 - Funcionamento motor imã permanente Figura 17 - Esquema de motor brushless

Figura 18 - Passo (pitch) e diâmetro

Figura 19 - Estrutura estabilizadora gimbal com câmera GoPro Figura 20 - Ranking TOP20 empresas de drones

Figura 21 – Modelos analisados Figura 22 – Máquina injetora Figura 23 – Painel semântico

Figura 24 – Alternativas de VANT modular Figura 25 – Alternativas de VANT modular

Figura 26 – Desenvolvimento de tampas para VANT modular Figura 27 – Desenvolvimento de tampas para VANT modular Figura 28 – Alternativas com câmera integrada ao VANT

Figura 29 – Alternativa escolhida – VANT com câmera integrada Figura 30 – Modelagem de componentes internos

Figura 31 – Modelo virtual

17 18 19 20 21 22 22 24 25 27 28 30 31 32 33 34 35 37 40 47 50 54 56 56 57 57 58 58 59 60

Figura 35 – Análise de extração da lente Figura 36 – Análise de extração da tampa Figura 37 – Análise de extração da base

Figura 38 - Modelo explodido com componentes posicionados

65 65 66 66

Tabela 03 – Mavic Tabela 04 – Inspire 1 V2.0 Tabela 05 – Solo Tabela 06 – Qube Tabela 07 – F-100 Tabela 08 – Indago Tabela 09 – Falcon Tabela 10 – F50 Tabela 11 – SkyRanger Tabela 12 – Bebop 2

Tabela 13 – Necessidades e requisitos Tabela 14 – Arquitetura do produto Tabela 15 – Especificação das peças

42 42 43 43 44 44 45 45 46 46 53 55 64

1 INTRODUÇÃO ... 11 1.1 Contexto do problema ... 11 1.2 Formulação do problema ... 12 1.3 Delimitação do problema ... 12 1.4 Objetivos ... 13 1.4.1 Objetivo Geral ... 13 1.4.2 Objetivos específicos ... 13 1.5. Justificativa ... 13 1.6 Metodologia Projetual ... 14 2 REFERENCIAL TEÓRICO ... 17 2.1 A Intelbras S.A. ... 17 2.2 VANT ... 18 2.2.1 Eletrônica ... 21 2.2.2 Transmissões de sinais ... 22 2.2.3 Alimentação ... 23 2.2.4 Sensores ... 25 2.2.5 Voo e aerodinâmica ... 29 2.2.6 Motorização ... 32

2.2.7 Propulsão ... 35

2.2.8 Câmera ... 36

2.3 Normas e Leis ... 37

3 ANÁLISE DE MERCADO ... 39

4 MATERIAIS E PROCESSOS ... 50

4.1 Moldagem de polímeros por injeção ... 50

4.2 Tampografia ... 51 4.3 ABS ... 52 5 REQUISITOS ... 53 6 PROJETO CONCEITUAL ... 54 7 DETALHAMENTO ... 62 8 CONCLUSÃO ... 67 REFERÊNCIAS ... 68

APÊNDICE A - CRONOGRAMA DE TRABALHO ... 71

1 INTRODUÇÃO

A medida que se avança nesta era tecnológica, analisando seus desdobramentos para as diversas áreas da atuação humana, pode-se visualizar uma série de produtos originados das relações do homem com o mundo. Do cenário conturbado e conflituoso das guerras surgiram produtos que retirados da sua área de atuação, desprovidos da sua finalidade bélica, puderam oferecer grandes mudanças, avanços e utilidades no modo de vida da sociedade civil. Entre eles estão a Internet, os alimentos enlatados, o GPS ou Sistema de Posicionamento Global (Global

Positioning System - GPS) e recentemente o Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT).

Os VANTs popularmente conhecidos como Drones, são produtos cujo mercado vem crescendo em grandes escalas, facilitado pelo rápido avanço tecnológico e miniaturização dos componentes. Constantemente surgem diferentes empresas cujos serviços variam de acordo com a finalidade da utilização do VANT assim como diferentes projetos abordam necessidades específicas oriundas do campo de atuação destes produtos.

Sendo assim este documento descreve relatório de projeto, expondo estudos realizados sobre o VANT, os fundamentos teóricos estudados assim como a metodologia a ser utilizada para abordar o problema de projeto a fim de desenvolver um VANT para a Intelbras S.A.

1.1 Contexto do problema

O desenvolvimento do VANT para o setor civil abriu portas para um nicho de mercado desconhecido, que cresce progressivamente, onde empresas atuam em diferentes áreas dependendo do foco de utilização que se dá ao produto. No entanto, esta classe de produtos, neste mercado ainda jovem, encara um cenário de incertezas com o decorrer das primeiras discussões de normas (EUROPEAN COMISSION, 2009; ANAC, 2015), aceitação pública (MURRAY, 2012) e aplicações civis.

A rápida transição dos VANT do cenário militar para o civil omitiu etapas de adaptações fundamentais para a integração deste produto à sociedade, pondo em risco a maturação deste mercado. Em seus estudos Boucher (2014) critica as metodologias propostas pela Comissão Européia a fim de melhorar a aceitação do público frente aos VANT de uso civil, tendo em vista a constante associação com finalidades bélicas, a qual segundo o autor, força a aceitação social deste produtos através de campanhas de marketing e promovem eventos que visam a apropriação dos resultados para aplicabilidade bélica, omitindo uma verdadeira participação, discussão e avaliação das necessidades da sociedade, como um mercado voltada para a mesma.

1.2 Formulação do problema

Analisando este cenário, o problema de projeto proposto é: como desenvolver um Veículo Aéreo Não Tripulado compatível com a linguagem visual da Intelbras S.A. dentro das soluções de segurança ofertadas pela empresa, atendendo as necessidades da sociedade e do mercado?

1.3 Delimitação do problema

Tendo em vista as etapas de desenvolvimento deste projeto delimitadas pelo método de Rozenfeld et al (2006), este mesmo se limitará a entrega da etapa do Projeto Detalhado. A mesma corresponde, dentro do âmbito produtivo da Intelbras S.A., à conclusão da primeira etapa do desenvolvimento de produto, onde se finaliza com a entrega de um documento de especificação do produto. As etapas seguintes, ficarão a encargo da empresa caso tenha o interesse de dar continuidade ao processo produtivo do produto proposto.

1.4 Objetivos

1.4.1 Objetivo Geral

Desenvolver um Veículo Aéreo Não Tripulado quadrirrotor para a Intelbras S.A., a fim de integrar-se ao portfólio de soluções ofertadas pela empresa.

1.4.2 Objetivos específicos

a) Conhecer os produtos de desenvolvimento interno e soluções oferecidas pela Intelbras S.A.;

b) Analisar as tecnologias de materiais e fabricação disponíveis na empresa; c) Estudar e identificar tendências de tecnologia e estética do segmento; d) Verificar normas nacionais conforme a classificação do produto; e) Verificar arquitetura básica do produto;

f) Verificar fatores de influência dos componentes; g) Conceber uma proposta de VANT quadrirrotor; h) Desenvolver modelo físico em escala 1:1.

1.5. Justificativa

Durante a pesquisa realizada pode-se extrair alguns dos aportes que os VANTs trouxeram à sociedade. O primeiro e principal motivo, desde a origem do VANT, e principal motivador para o desenvolvimento deste projeto também, trata da ausência de tripulação a bordo para comandar um veículo aéreo, com o intuito de não o expor a diferentes riscos tanto oriundos da atividade aeronáutica, e por consequência, a valorização da vida do mesmo.

Em segundo lugar é possível identificar os benefícios ao aplicar um VANT em diferentes cenários e setores. Do ponto de vista das soluções para segurança, o VANT se torna uma poderosa ferramenta de trabalho pois, além do motivo citado anteriormente, apresenta um baixo custo de investimento, podendo percorrer grandes regiões realizando captação e transmissão instantâneas de imagens, possibilitando uma visualização segura de diferentes cenários, procurando e identificando situações de riscos a fim de resguardar a sociedade ou demais fatores de interesse.

O terceiro ponto é o estado atual do mercado brasileiro, onde se não existe oferta de VANTs projetados para o setor segurança, tendo em vista a mínima existência de empresas atuantes neste segmento. Por consequência, nosso mercado é majoritariamente atendido por soluções e tecnologias estrangeiras, apresentando funcionalidades desnecessárias e preços elevados.

Por último, se encontram poucos estudos aprofundados no âmbito de aplicações civis assim como o aporte por parte do profissional de Design de Produtos para a categoria. A colaboração metodológica do projeto de desenvolvimento de produto se apresenta como uma ferramenta fundamental na tentativa do aprofundamento do entendimento das necessidades da sociedade como também das pesquisas para exploração das possíveis aplicações do VANT ofertado pela empresa.

1.6 Metodologia Projetual

A fim de se ter um controle sobre a pesquisa em desenvolvimento, assim como das suas etapas e auxiliando nas mesmas a fim de atingir as metas traçadas, se faz necessário a utilização de um método projetual. Dentro daqueles explorados ao longo da experiência acadêmica o Modelo Unificado do Projeto de Produto (Figura 1) de Henrique Rozenfeld et al (2006) foi escolhido como base, tendo em vista sua riqueza de detalhes nas diferentes etapas e setores do desenvolvimento de produtos.

Figura 1 - Modelo Unificado do Projeto de Produto

Fonte: Rozenfeld et al (2006).

O Modelo é dividido em três etapas principais - Pré-Desenvolvimento, Desenvolvimento e Pós-Desenvolvimento – as quais também apresentam suas subdivisões. Apesar de sua riqueza em etapas, o método foi adaptado tendo em vista que nem todas serão abrangidas neste projeto, atendo-se o mesmo, à etapa de desenvolvimento.

O planejamento consistiu na delimitação dos objetivos, geral e específicos, a justificativa do desenvolvimento deste projeto, uma breve descrição teórica dos assuntos abordados, definição do método seguido, elaboração do cronograma de trabalho conforme as etapas do método e resultados esperados.

O projeto informacional se torna uma parte fundamental para a coleta de dados que apresentam relevância para este projeto a fim de criar uma base que auxilie atingir os objetivos determinados (ROZENFELD et al, 2006). A coleta principal foi realizada por meio da revisão bibliográfica com base na literatura, artigos e publicações científicas. Para entendimento do tema também foram realizados levantamento de dados em websites e empresas especializadas em VANT prioritariamente elétricos.

Mais além, a pesquisa por soluções ofertadas no mercado global e utilizadas por diferentes empresas, permitiu complementar com informações referentes a soluções presentes que já atendem às necessidades da sociedade, possibilitando identificar projetos de referência assim como oportunidades de aprimoramento. Destes mesmos dados e com premissas de projeto por parte da empresa parceira, foi possível gerar requisitos de projetos a serem atingidos.

O projeto conceitual consistiu na geração de princípios de solução com base nas informações coletadas anteriormente. Entre as ferramentas para auxiliar esta etapa estão desenvolvimento de painéis semânticos. A definição da arquitetura do produto com base nos requisitos e na pesquisa permite tomar um rumo para a geração de soluções em formas de representação visual, sendo elas sketches ou

renderings. A proposta que se aproximou de atender todos os requisitos foi modelada

a fim de auxiliar na visualização e materialização do produto permitindo a continuidade para o desenvolvimento do modelo final.

O projeto detalhado teve como objetivo dar prosseguimento à fase anterior, desenvolvendo e finalizando todas as especificações do produto necessárias para encaminhá-lo à manufatura e etapas posteriores, encerrando a etapa de desenvolvimento deste projeto.

2 REFERENCIAL TEÓRICO

A Indústria de Telecomunicação Eletrônica Brasileira -Intelbras S.A. é uma empresa nacional fundada em 1976 que atua nas áreas de segurança, telecomunicações e redes. Conta com mais de 2.300 funcionários entre suas cinco unidades fabris sendo elas a matriz (Figura 2) localizada na área industrial de São José –SC, na Rodovia BR 101, Km 210 e mais quatro filiais pelo Brasil, atendendo com mais de 40 mil pontos de venda de varejo e 18 mil revendedores corporativos (INTELBRAS, 2016).

Figura 2 - Matriz em São José, Santa Catarina

Fonte: Intelbras.com.br

A empresa conta com um dos maiores centros de pesquisa e desenvolvimento privados da América Latina, uma das maiores redes de assistência técnica do mercado brasileiro e também com certificados de qualidade com a ISO 14001 na matriz e 9001 nas demais. Se destaca também ao ser eleita entre as melhores empresas para se trabalhar no Brasil, conforme pesquisas das revistas

Exame, Você S/A e Época.

Sua visão voltada para inovação assim como sua tecnologia avançada é clara tendo em vista os seguintes dados da empresa:

 Foco em pesquisa aplicada e de novas tecnologias.  5% do faturamento é investido em P&D

 COB (Chip On Board): Tecnologia de montagem de microchips

 Produção em células: tempos menores de ajustes e maior flexibilidade.

 Montagem telefones sem fio e centrais com células de fabricação flexíveis e especializadas por famílias de produto.

2.2 VANT

Um VANT (Veículo Aéreo Não Tripulado), derivado do termo UAV, em inglês Unmanned Aerial Vehicle, é o termo usado para descrever toda aeronave projetada para operar sem a necessidade de pilotos embarcados de acordo Circular de Informações Aéreas AIC N 21/10 (2010). Esta classificação se subdivide também em outras duas dependendo do modo operativo da aeronave, sendo elas autônomas (proibidas no Brasil) ou remotamente pilotadas (RPA - Remotely-Piloted Aircraft em inglês), sendo estas últimas necessárias em um conjunto com demais ferramentas de controle para compor o Sistema de Aeronaves Remotamente Pilotadas

(Remotely-Piloted Aircraft System - RPAS).

Desenvolvidos inicialmente como aeronaves que pudessem retirar o piloto no cenário de risco, estas aeronaves logo chamaram a atenção pelas suas potencialidades no cenário de conflitos apesar dos altos investimentos necessários para o desenvolvimento da tecnologia (Figura 3).

Figura 3 - RPA americano Predator XP

Fonte: gaasi.publishpath.com/predator-xp

No entanto, não demorou muito para que os avanços das tecnologias empregadas e a redução dos custos materiais para o desenvolvimento dos VANT, permitissem que estes fossem inseridos ao âmbito comercial e civil.

A empresa alemã Drone Industry Insights especializada na geração de conteúdo de pesquisa e análise de mercado de VANT aponta que este progresso se deve pela incorporação das tecnologias desenvolvidas para diferentes áreas, entre elas smartphones. São eles giroscópios e acelerômetros miniaturizados que compõem sistemas de estabilização e pequenos módulos de GPS para navegação. Em outra ramificação deste progresso tecnológico, o próprio mercado de hobbies desenvolveu motores elétricos sem escovas (brushless) e micro controladores, ambos mais potentes, econômicos, menores e mais eficientes que seus antecessores (DRONEII, 2016; PAULA 2012).

Atualmente, VANTs baratos e confiáveis estão disponíveis em diversos locais de venda e constantemente são anunciadas ou imaginadas novas aplicações destes produtos, assim como modelos e configurações diferenciadas (Figura 4).

Figura 4 - Modelos e tipos de VANT

Fonte: droneii.com

Além das classes especificadas pelas entidades governamentais descritas posteriormente neste projeto, popularmente são conhecidos também outras

classificações, de especificação mais enxuta porém não menos compreensíveis, relacionando as percepções de tamanho e peso (Figura 5).

Figura 5 - Categorias populares

Fonte: g1.globo.com/tecnologia/noticia/2016/05/anac-usara-primeiros-pilotos-de-drone-como-teste-para-criar-certificacao.html

Inúmeras são as configurações físicas e digitais que um VANT pode apresentar, porém todos possuem componentes e características em comum no que diz respeito à sua arquitetura. As variações da mesma refletem no seu modo de operação, desempenho, autonomia ou até mesmo função, e portanto se faz necessário coletar dados e realizar análises dos elementos, assuntos e fatores identificados que influenciam diretamente no funcionamento do produto. São eles: fonte de alimentação, transmissão de sinais, eletrônica de vôo, aerodinâmica, materiais e motorização. Visando também a solução a ser concebida como parte dos segmentos da Intelbras, são necessárias também informações referentes a captação de imagens e sistemas de GPS.

A Figura 6 apresenta um esquema da arquitetura funcional básica de um VANT quadrirrotor desenvolvido por Paula (p. 19, 2012). Segundo o autor:

As setas azuis representam ligações físicas, a seta vermelha indica a ligação da alimentação elétrica e as setas pretas ligações lógicas. Todos os componentes dentro da forma pontilhada estão conectados à mesma linha de alimentação elétrica indicada pela seta vermelha. (PAULA, p. 18, 2012)

Figura 6 - Arquitetura quadrirrotor

Legenda: ESC – Electronic Speed Controller Fonte: PAULA, p. 19, 2012.

2.2.1 Eletrônica

Um dos componentes fundamentais para controle de voo é o microprocessador ou controlador de voo. Este realiza a tarefa de coletar todos os dados provenientes tanto do controlador, por meio do receptor de radiofrequência, como dos demais componentes do VANT, além de realizar acionamento dos motores e distribuição da corrente elétrica, sinais e controle dos demais elementos ou acessórios instalados. Sua capacidade de processamento é medida em Giga-hertz (GHz) e atualmente apresentam grande capacidade em relação a sua dimensão (Figura 7).

Figura 7 - Controlador de voo para drone -36x36mm

Fonte: The Robot Source

Estão dispostos na placa diferentes conectores que em conjunto com cabos realizam a conexão com as demais unidades do VANT. É possível encontrar modelos com maior capacidade de processamento, os quais podem fornecer mais portas de conexão além do mínimo necessário para o vôo da aeronave, contanto que haja compatibilidade entre os componentes.

2.2.2 Transmissões de sinais

Para que a comunicação entre o VANT e o controlador seja realizada é necessário um rádio transmissor (dispositivo em solo) e um receptor (dispositivo no VANT, Figura 8). O receptor transforma as ondas de radiofrequência provenientes do transmissor em sinal elétrico, a fim de que seja interpretado pelo controlador de voo. É comum a utilização de frequência de 2.4GHz tanto para VANTs como aeromodelos.

Figura 8 - Rx/ Receptor

Os diferentes modelos de receptores existentes variam principalmente na quantidade de canais que suportam e alcance. Cada canal corresponde a uma ação que deseja-se que o VANT execute sendo quatro o número mínimo de canais para a movimentação sobre os eixos de deslocamento do VANT. O alcance por sua vez varia entre 1.500 a 2.500 metros.

2.2.3 Alimentação

Para todo circuito elétrico ser considerado completo necessita conter seis componentes fundamentais: uma fonte de energia, condutores, isolantes, uma carga, um dispositivo de controle e um dispositivo de proteção. (FOWLER, p.44, 2013). Para o primeiro são conhecidas diversas formas de se gerar tensão elétrica a qual atua como fonte de energia para o circuito, porém, as mais comuns são pilhas e baterias, as quais convertem energia química em energia elétrica, produzindo uma tensão entre dois terminais ou polos.

Fowler (2013) descreve a pilha como um dispositivo eletroquímico que consiste de dois eletrodos feitos de materiais diferentes imersos em uma substância denominada eletrólito, onde a reação entres estes dois elementos gera uma diferença de potencial (tensão) entre os dois eletrodos.

A bateria, por sua parte, consiste de duas ou mais células idênticas a uma pilha, interconectadas e embaladas num único componente para gerar uma tensão de corrente contínua mais robusta.

Tecnicamente podem ser classificadas em células primárias e células secundárias. As primárias não são recarregáveis e requerem substituição ao serem totalmente descarregadas. Já as secundárias podem sofrer um processo de recarga, apresentando um valor final de ciclos de carga/descarga (FOWLER, 2013). Entre as células secundárias já desenvolvidas podem ser dos tipos alcalinas recarregáveis,

chumbo-ácido, níquel-cadmio, níquel-ferro e células de íons de lítio (LiPo, Figura 9), sendo a última a mais utilizada em VANTs e aeromodelos.

Figura 9 - Bateria LiPo TATTU 5100mAh, 11.1V, 3 células

Fonte: The Robot Source

Ainda assim, entre todos os tipos de baterias existem diferenças nos seguintes aspectos:

 Capacidade: quantidade de energia elétrica que a célula pode fornecer em condições específicas de funcionamento;

 Resistência interna: variação da tensão de acordo com o consumo pela carga conectada na saída;

 Variação de tensão: variação da tensão fornecida com o processo de uso/descarga;

 Ciclo de vida: número de ciclos de carga/descarga que a célula suporta.

 Relação volume/energia;

 Relação peso/energia;

 Temperaturas de operação: temperaturas do ambiente recomendada e da bateria, durante uso;

As baterias Li-Po apresentam um desempenho superior em relação aos demais tipo de bateria sob a ótica da relação entre os fatores peso, capacidade e volume. Por sua vez e além dos aspectos citados anteriormente, as baterias Li-Po variam também no número de células que as compõe. A relação entre a quantidade de células e todos os fatores listados anteriormente resultam nas diferenças de desempenho de cada uma. A escolha entre as opções de modelos de bateria deve satisfazer as necessidades dos usuários do VANT como também deve atender as demandas dos componentes do VANT.

2.2.4 Sensores

Desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos, o GPS é um sistema de rádio navegação visando ser o principal sistema de navegação das forças armadas americanas. O mesmo apresenta alta acurácia, alcançando uma precisão entre 10 a 20m, tanto na vertical como na horizontal, tem abrangência global e opera 24 horas por dia indiferente das condições climáticas. Seu princípio de navegação consiste na medição entre as distâncias do usuários e quatro satélites que possuem suas próprias coordenadas, com os quais podem ser realizados cálculos a fim de proporcionar o posicionamento do usuário dentro do seu sistema de referência, incluindo também a variação de tempo terrestre e espacial. O sistema (Figura 10) como um todo consiste de três segmentos: espacial, controle e usuários (EL-RABANNY, 2006; MONICO, 2000).

Figura 10 - Segmentos do GPS

O segmento espacial é constituído pelos satélites, distribuídos em órbitas igualmente espaçadas, com quatro satélites em cada plano, a uma altitude aproximada de 20.200km. Estes satélites foram colocados em órbita em partes ou grupos, e cada geração conta com inovação em relação à anterior, os mais atuais, tendo a capacidade de medir distâncias entre eles e calcular efemérides no próprio satélite e transmitir essas informações aos demais satélites e finalmente o sistema de controle na terra (EL-RABANNY, 2006; MONICO, 2000).

O segmento de controle é uma rede composta de diferentes estações monitoras distribuídas pelo globo terrestre cujas tarefas são monitorar e controlar continuamente o sistema de satélites, determinar o sistema de tempo GPS, predizer efemérides dos satélites e atualizar periodicamente as mensagens de navegação de cada satélite (EL-RABANNY, 2006; MONICO, 2000).

O segmento de usuários é constituído pelos receptores GPS que devem ser apropriados para o propósito a que se destinam e os usuários também podem ser categorizados em civis e militares. Os receptores (Figura 11) são compostos por diferentes componentes entre eles:

 Antena com pré-amplificador;

 Sessão de radiofrequência para identificação e processamento de sinal;

 Microprocessador para controle do receptor, amostragem e processamento de dados;

 Oscilador;

 Provisão de energia;

Figura 11 - Módulo de GPS para VANTs

Fonte: JDrones

A antena cumpre a função de detectar as ondas eletromagnéticas emitidas pelos satélites, converte a energia da onda em corrente elétrica, amplifica o sinal e o envia para a parte eletrônica do receptor. Devido a fraqueza do sinal GPS e as interferências sofridas ao atravessarem a maioria das estruturas, é importante que a antena não sofra obstruções e seja montada em um amplo ângulo de visada (EL-RABANNY, 2006; MONICO, 2000).

O microprocessador é necessário para o controle das operações do receptor como obter e processar o sinal, decodificar as mensagens de navegação. Também calculam as posições e velocidades assim como controlam dados de entrada e saída (EL-RABANNY, 2006; MONICO, 2000).

Com a evolução do GPS e suas vantagens foram se encontrando diferentes aplicações, e junto com suas deficiências ou não, a integração com outros sistemas e tecnologias permite também a obtenção de novos resultados e consequentemente exploração de novas aplicações. A fim de melhorar o posicionamento do usuário em ambientes de baixa captação de sinal ou grande interferência, El-Rabanny (2006) descreve algumas das tecnologias com as quais surgem integrações vantajosas para o sistema.

Os pseudo-satélites podem ser vistos em campos de mineração, onde o aumento gradual da profundidade do campo pode vir a interromper no sinal GPS. Este aparelho eletrônico de solo é um transmissor do sinal GPS que pode ser captado por

um receptor, e sua posição pode ser determinada a fim de promover uma melhora na replicação vertical do sinal, melhorando sua precisão e a captação por parte dos demais receptores (EL-RABANNY, 2006).

Giroscópios são sensores de baixo custo que mensuram velocidade angular (heading rate). Este sistema utiliza mecanismos cujas vibrações geram uma tensão proporcional a velocidade angular do corpo. A valor final é obtido pela multiplicação da tensão gerada e um fator de escala. Estes sensores também apresentam falhas nas medições mesmo em condições de velocidades angular nulas, e pode ser observado quando o objeto se manter estacionado ou trajetos em linha reta. No entanto, serve para complementar nas regiões de baixa captação do GPS assim como o GPS corrige eventuais erros de medição dos giroscópios (EL-RABANNY, 2006; THOMAZINI, 2011).

A navegação inercial é definida pelo processo de encontrar a posição, velocidade e orientação de um objeto baseado nas medições de sensores inerciais (IMU - inertial measure unit, Figura 12). Aliado a outros sensores, processadores, componentes eletrônicos de suporte e fonte de energia avalia fatores como aceleração, força gravitacional, taxas de rotação e variações sobre os três eixos para determinar a velocidade e posição.

Figura 12 - Sensor Inercial

2.2.5 Voo e aerodinâmica

O vertical take-off and landing (VTOL) consiste na aterrissagem e decolagem vertical de aeronaves sem a necessidade ou dependência da velocidade de avanço da mesma. O exemplo mais conhecido são os helicópteros os quais obtém sua força de ascensão através de hélices compridas (asas-rotativas) as quais rotacionam sobre um eixo central vertical. Os mesmos foram idealizados por Leonardo DaVinci no século XV e concretizados apenas em 1907 pelo francês Paul Cornu. (ALLEN, 1969).

O VTOL permite a decolagem ou aterrissagem em pequenas áreas, onde logo se encontraram várias aplicações no cenário militar e civil. No entanto estão limitados fisicamente na sua velocidade de deslocamento, tendo em vista que as hélices podem sofrer grandes arrastos em altas velocidades. (ALLEN, 1969)

Assim como as aplicações práticas do VTOL chamam a atenção, as limitações lançaram desafios a fim de encontrar um aparelho VTOL que apresentasse também velocidades horizontais superiores.

A combinação entre elementos de propulsão conhecidos (rotores, hélices, turboélices e jato) permitiram o desenvolvimento de aeronaves V-STOL (vertical-short

take-off and landing), as quais apresentam recursos que elevam a velocidade

horizontal de deslocamento, porém requerem altíssimos níveis investimentos para construção, operação e manutenção. (ALLEN, 1969)

Ainda que populares, os modelos de eixo central ou monorotor apresentam também uma elevada complexidade de voo e mecânica tendo em vista que dependem do incremento de inclinação, ou ângulo de arfagem para deslocamento horizontal, como também estão sujeitos a efeitos giroscópios devido o torque dos motores. (PAULA, 2012).

O desafio de desenvolvimento de um veículo aéreo de baixo custo operacional, de manufatura, boa resposta às manobras e que apresentasse boa estabilidade foi possível graças aos processos de evolução tecnológica já descritos

anteriormente. A incorporação dos pequenos instrumentos de voo disponíveis e a adição de rotores deram as características funcionais e visuais do modelo de VANT civil popularmente conhecido (Figura 13).

Figura 13: VANT quadrirrotor

Fonte: DJI

A Figura 14 ilustra alguns dos arranjos possíveis alguns dos elementos de voo do VANT, entre eles, o número de rotores, sua disposição, o sentido de voo e a rotação dos motores. Este último caracteriza-se pela utilização equitativa de motores que giram em sentido horário e anti-horário, a fim de contrapor o torque dos motores, evitando que o VANT realize um movimento espiral incontrolável sobre seu eixo vertical, resultando em um voo estabilizado. A variação dos fatores citados anteriormente, junto com fatores como o peso total do VANT, os modelos de hélices, a capacidade da bateria, entre outros, resulta na variação de autonomia de voo, capacidade de carga, estabilidade, velocidade ou até mesmo função.

Figura 14: Disposições para multirrotor

Fonte: Drone Trest

Entretanto os VANTs ainda estão sujeitos aos mesmos princípios de navegação que as demais aeronaves. Segundo Paula:

Apesar do quadrirrotor possuir seis graus de liberdade (DOF, Degrees Of

Freedom), ele acaba sendo um sistema sub atuado por possuir apenas

quatro hélices, possibilitando assim controlar apenas quatro movimentos básicos. Devido ao seu formato físico os quatro movimentos controláveis são os de atitude (arfagem [θ], guinada [ ] e rolagem [ ]) e altitude. Os movimentos translacionais acabam sendo dependentes desses outros. (PAULA, p.10, 2012)

A Figura 15 ilustra quais os movimentos que podem ser realizados por um VANT multirrotor assim como a quais eixos cada um corresponde.

Figura 15: Eixos de movimento

Fonte: PAULA (p. 11, 2013).

Indiferente de qual o movimento desejado pelo usuário, o comando de voo, através de cálculos, opera combinando todos os rotores e avaliando seu sentido de rotação, aumentando ou reduzindo a energia fornecida a cada um, e consequentemente, variando sua velocidade de rotação.

2.2.6 Motorização

Os métodos de propulsão conhecidos tanto para aeronaves como para VANTs são rotores, hélices, turboélices, e motores de combustão e jato. No entanto, pela simplicidade e custo dos motores elétricos apenas estes serão abordados neste projeto.

Os motores elétricos são aparelhos que convertem energia elétrica e energia mecânica originada da força que um condutor percorrido por uma corrente elétrica sofre ao ser imerso num campo magnético.

Motores de corrente contínua de imã permanente são constituídos por dois imãs, o primeiro com posicionamento fixo, com polos magnéticos determinados. O segundo por sua vez colocado no eixo de rotação, denominado armadura, o qual sofre uma passagem de corrente elétrica (eletroímã) que é constantemente invertida a cada 180º, por meio do elemento comutador, mudando sua polaridade. Apesar de haver

momentos de alinhamento de polos opostos, havendo atração, a inércia gerada impede a paralisação/estabilização do eixo, originando uma força rotacional chamada torque (Figura 16). (WIRTH, 2013; FOWLER, 2013).

Figura 16: Funcionamento motor imã permanente

Fonte: PETRUZELLA, p. 119, 2013

Os motores de corrente contínua sem escovas (brushless) foram desenvolvidos a fim de melhorar o desempenho dos motores elétricos. Neste modelo os ímãs são fixados ao rotor, enquanto o eletroímã permanece fixo (Figura 17). Outra diferença é a variação da polaridade por controle eletrônico, substituindo o comutador por contato nas escovas. A primeira vantagem é o prolongamento da vida útil pela eliminação das escovas e a necessidade de substituição devido desgaste. Além desta, outros aprimoramentos identificados são a queda da temperatura de operação do motor, redução de tamanho, redução de interferência eletromagnética, respostas mais rápidas, redução de ruído e vibrações, e o aumento da relação torque/peso. (HAND, 2015; FOWLER, 2013; PETRUZELLA, 2013).

Figura 17: Esquema de motor brushless

Fonte: Citisystems

A capacidade de rotação por minuto (RPM) dos motores pode ser obtida pela multiplicação de dois fatores principais, a tensão elétrica (V) fornecida pela bateria utilizada e o número de especificação “Kv” de cada motor (CASARI, 2015). O resultado dessa equação permite definir qual o motor mais adequado para cada projeto de VANT considerando também especificações da hélice escolhida, número de células da bateria e a massa total a ser sustentada no ar.

Os motores brushless, entretanto, possuem um valor elevado comparado com motores de imã permanente, sendo esta sua principal desvantagem. Além disso, não podem ser conectados diretamente na unidade controladora para seu correto funcionamento, dependendo então de uma placa de distribuição de energia assim como Electronic Speed Controllers (ESC) ou controladores eletrônicos de velocidade. Estes permitem controlar a velocidade dos motores como também convertem a corrente contínua (CC) em corrente alternada (AC). Há também a necessidade de escolher um ESC projetado e regulado para a voltagem e número de células da bateria com o intuito de se obter o melhor desempenho de todos os componentes. (CASARI, 2015; PAULA; 2012)

2.2.7 Propulsão

Para que haja a capacidade de sustentação no ar é necessário a utilização de hélices ou asas fixadas nos rotores. Derivados do princípio de parafuso de Arquimedes, realizam o deslocamento de massa de ar no sentido que venham a gerar força de propulsão. Dependendo do modelo da aeronave, função e peso, alguns modelos de hélice podem ser mais adequados que outros. Os fatores (figura 18) que influenciam na escolha são o comprimento total da hélice ou diâmetro, o passo da hélice (do inglês pitch, que especifica o avanço percorrido a cada giro de 360 graus) e o sentido de rotação do rotor, podendo ser horário ou anti-horário.

Figura 18: Passo (pitch) e diâmetro.

Fonte: Robotshop

Hélices de diâmetro menor permitem variações de rotação mais rápida enquanto o aumento do diâmetro proporciona um voo de maior estabilidade.

A vasta maioria das hélices encontradas para aeromodelos e VANTs são compostas de polímeros pois apresentam boa funcionalidade e baixo custo, podendo ser facilmente substituída. As mesmas requerem uma boa resistência física, pois podem estar sujeitas a diferentes forças de torção em altas rotações. É possível encontrar modelos também em fibra de carbono e madeira. A fibra de carbono apresenta a melhor relação peso/resistência, porém, é um material de altíssimo valor e utilizado normalmente em VANTs de alta complexidade ou corridas.

2.2.8 Câmera

Antes mesmo do surgimento das câmeras digitais de fotografia e vídeo já se podia encontrar assuntos relacionados a fotografias aéreas. O fotógrafo Ansel Adams (p. 191, 2000) aponta alguns dos fatores a serem levados em consideração na obtenção de imagens aéreas.

Inicialmente há a necessidade da tentativa de isolamento da câmera frente as vibrações geradas pelas aeronaves, onde ocasionalmente o corpo humano atua com amortecedor das mesmas. Tratando-se de um VANT e seu objetivo em eliminar a presença do homem no veículo aéreo, surge a necessidade de explorar alternativas que venham a diminuir a passagem de vibrações do veículo aéreo para o corpo da câmera. Alguns equipamentos e técnicas são descritas por Avery (p. 28, 1985) que podem ser encontradas aplicados em câmeras de mapeamento ou cartográficas.

A “camera mount” é um chassi cujo objetivo é suportar a câmera montada na base da aeronave e isolar a mesmas das vibrações provenientes da fuselagem. A absorção dessas vibrações se dá por amortecedores ou buchas de borracha vulcanizada (ADAMS, 2000).

Tendo em vista as variações dos ângulos e direções que a aeronave efetua durante o voo, o Gimbal (Figura 19) é uma solução fixada na aeronave com objetivo e estrutura semelhante ao chassi, que também permite controlar o direcionamento da câmera por rádio controle, mantendo o ponto focal independentemente dessas variações. O mesmo é possível uma vez que conta com um sistema composto de giroscópios e motores elétricos de baixa rotação, sendo estes últimos, responsáveis pelo direcionamento e variações de até três eixos (X, Y e Z).

Figura 19: Estrutura estabilizadora gimbal com amortecedores para câmera GoPro

Fonte: helipal.com

2.3 Normas e Leis

No âmbito nacional a Agência Nacional de Aviação Civil (ANAC), se encontra no processo de desenvolvimento da resolução de Requisitos Gerais Para Veículos Aéreos Não Tripulados e Aeromodelos (ANAC, 2015). Entre elas pode-se prever diferentes categorias (Tabela 1).

Tabela 1 - Categorias

Setor

Civil Militar

Uso

Recreativo Não recreativo

Navegação

Autônomo Não autônomo

Fonte: ANAC (2005) adaptado pelo autor

Além destas o equipamento deverá ser classificado segundo sua classe, a fim de respeitar normas específicas da mesma:

 Classe 1: VANT com peso máximo de decolagem (PMD) maior que 150 kg;

 Classe 2: VANT com PMD maior que 25 kg e menor ou igual a 150 kg;

Neste documento também se encontram uma série de regras em relação ao uso e manipulação do produto, muitas das quais foram inspiradas em documentos internacionais, como as normas da administração federal de aviação americana. O principal objetivo é regulamentar o uso destes aparelhos, nacional ou internacionalmente, assim como determinar normas específicas tendo em vista seu uso (recreativo ou comercial) e configuração.

Ainda assim sob um olhar amplo, o Comando da Aeronáutica do Ministério da Defesa por sua vez é claro ao estabelecer:

A principal premissa básica é que uma Aeronave Remotamente Pilotada é uma aeronave e, por conseguinte, para voar no espaço aéreo sob responsabilidade do Brasil, deverá seguir as normas estabelecidas pelas autoridades competentes da aviação nacional. (DECEA, 2015)

É importante ressaltar que apesar dos esforços das entidades legislativas para regulamentação da categoria, a liberdade criativa das aplicações das aeronaves expõe diferentes cenários de uso em que se faz necessário constantemente uma avaliação crítica das ações. Entre os cenários já conhecidos, são alguns:

 Combate a incêndios;

 Assistência e gerenciamento em desastres;

 Resgate e salvamento;

 Vigilância de fronteiras;

 Policiamento;

 Operações contraterrorismo;

 Vigilância de eventos públicos de larga escala;

 Vigilância de tráfego terrestre e marítimo;

 Monitoramento e controle ambiental;

 Telecomunicações;

 Vigilância da fauna;

 Proteção aquicultura;

3 ANÁLISE DE MERCADO

A análise de mercado se faz necessária para poder identificar soluções concorrentes ou semelhantes ofertadas, assim como dados que possam servir de referência para o projeto. Apesar do mercado global ser jovem, a América do Sul assim como o Brasil não acompanha do mesmo progresso que os demais países do resto do mundo. Tendo isto em vista a análise será feita com soluções encontradas também mundo afora.

É possível identificar em primeira instância que o resultado deste mercado ainda jovem reflete na falta de soluções e projetos desenvolvidos para o setor segurança, onde por consequência, empresas, cidadãos e órgãos governamentais acabam por apropriar-se de VANTs para hobby ou outros setores de serviço. Este cenário se torna ainda mais evidente sob a ótica nacional, onde são raras as empresas de VANTs de fabricação totalmente nacional, assim como os consumidores destes produtos, sendo eles entidades privadas ou governamentais, atendidos com modelos de hobby fabricados por empresas estrangeiras (CAPUTO, 2012; AZEVEDO, 2016). O ponto de partida para escolha e análise desses últimos é o ranking das 20 empresas mais conceituadas no mercado (Figura 20), desenvolvido pela empresa Droneii (2016), com base em número de buscas no buscador google.com, número de empregados nas empresas, menções em jornais, notícias entre outros parâmetros de avaliação.

Se optou também para o desenvolvimento desta etapa de análise e nas seguintes, a escolha pelos modelos quadrirrotor apontados na Figura 4. Isto se justifica por ser o modelo mais adequado para os diferentes cenários ao ser comparado com os demais modelos que apresentam características de voo pouco ou menos flexíveis.

Modelos de asa fixa (estrutura de aeroplano) são mais adequados para varreduras de longa distância em área rural, como requerem também uma velocidade

mínima elevada para sustentação, podendo oferecer grandes riscos no cenário urbano.

Modelos híbridos e de rotor central apresentam uma complexidade de voo superior ao multirrotor, onde há a necessidade de grandes ajustes dos componentes como os mesmos também são de valor superior (ALLEN, 1969).

Os demais exemplares com mais de quatro rotores também foram descartados pois não apresentam vantagens significativas que justifiquem a necessidade um maior número de componentes, tendo em foco as demandas a serem atendidas neste projeto.

Foram selecionados modelos das empresas “DJI”, “Parrot”, “3DRobotics” e “Ehang”, tendo em vista que são empresas pioneiras no desenvolvimento de novas funcionalidades para os modelos de hobby assim como peças e componentes de reposição são de fácil acesso no mercado.

Figura 20: Ranking TOP20 empresas de drones

Dentro da delimitação citada anteriormente, as soluções encontradas, que fossem projetados para as demandas dos setores de segurança pública, privada e nacional, estão os modelos das empresas americanas “Lockheed Martin” e “AeroVironment”. Outros modelos de referência para análise são modelos da empresa chinesa “AEE” e da empresa canadense “Aeryon Labs”. No âmbito nacional foram identificadas as empresas “Sky Drones”, “Drones Brasil”, “Trox” e “Gyrofly. As três primeiras, no entanto, dependem de peças e hardware importadas para montagem de seus VANTs, sendo o único modelo totalmente nacional oferecido pela a Gyrofly.

Os dados escolhidos para serem analisados são relacionados a fatores comuns a todos os modelos, os quais as empresas fornecem em seus websites ou folheto técnico virtual. Ao serem comparados, os mesmos estabelecem quais modelos desempenham melhor determinada função que os demais, podendo ser tomada como uma referência adequada.

Tabela 2 - Phantom 3 Series

Peso 1.280 gramas

Dimensão 350mm diagonal entre eixos Alcance 6.000 metros

Autonomia 23 minutos aproximadamente

Bateria Lipo 4 células, 4480mAh, 15.2V, 365 gramas Câmera Sony EXMOR 1/2.3”, 12,4M, 4K, com gimbal Preço U$500, U$800 e U$1.000 dependendo da versão

Motor

-Hélice 240mm de diâmetro; 127mm de passo Uso Hobby e filmagens profissionais

Tabela 3 - Mavic

Peso 743 gramas

Dimensão 335mm diagonal entre eixos

Alcance 5.000 metros de rádio controle; 7000 metros de vídeo transmissão

Autonomia 21 a 24 minutos

Bateria Lipo 3 células, 3830 mAh, 11.4V,240g Câmera CMOS 1/2.3”, 12,35M, C4K com gimbal

Preço U$1.000

Motor

-Hélice

-Uso Hobby

Fonte: DJI - adaptado pelo autor

Tabela 4 - Inspire 1 V2.0

Peso 2.935 gramas

Dimensão 438x451x301mm Alcance 3.500~5.000m

Autonomia 18min aproximadamente

Bateria Lipo 6 células 4500 mAh 22,2V -570g

Câmera X3- FC 305 1/2.3” - 12,4M, UHD - com gimbal

Preço U$2.000

Motor

-Hélice

-Uso Filmagem profissional

Tabela 5 - Solo Peso 1.800 gramas Dimensão 250x460mm Alcance 1.000m Autonomia 15 a 20 minutos Bateria 5.200mAh 14.8V

Câmera GoPro gimbal 3 eixos ou Sony R10C gimbal 2 eixos Preço U$1.000 com gimbal de 3-eixos; U$800 câmera fixa

Motor 880Kv

Hélice

-Uso Hobby

Fonte: 3DR - adaptado pelo autor

Tabela 6 - Qube Peso 2.500g Dimensão 900mm de comprimento Alcance 1.000m Autonomia 40min Bateria

-Câmera Câmera de alta resolução colorida e infravermelho

Preço U$2.000

Motor

-Hélice

-Uso Segurança privada, pública e nacional Fonte: AeroVironment - adaptado pelo autor

Tabela 7 - F100

Peso 7.600g

Dimensão 863x862x237mm

Alcance 10.000m de controle, 10.000m de vídeo Autonomia 60min

Bateria 20.000mAh

Câmera Câmera de alta resolução zoom 20X com gimbal 3-eixos

Preço U$58.000

Motor

-Hélice Fibra de carbono

Uso Profissional

Fonte: AEE - adaptado pelo autor

Tabela 8 - Indago UAS

Peso 2.200g Dimensão 810x810x170mm Alcance 3.000m Autonomia 50min Bateria 20.000mAh Câmera -Preço U$25.000 Motor

-Hélice Fibra de carbono

Uso Segurança pública, privada e nacional Fonte: Lockheed Martin - adaptado pelo autor

Tabela 9 - Falcon

Peso 9.600g

Dimensão 912mm diagonal entre rotores

Alcance 2.000m

Autonomia 37 a 18min

Bateria Lipo 12 células 4100mAh 44.4V

Câmera

-Preço U$25.000

Motor

-Hélice Fibra de carbono

Uso Profissional

Fonte: Ehang - adaptado pelo autor

Tabela 10 - F50

Peso Menos de 2.000 gramas

Dimensão

-Alcance 2.000m a 6.000m

Autonomia 20min, 25min e 30min, conforme bateria Bateria 4.000mAh, 6.000mAh e 8.000mAh

Câmera 1080P de 1 eixo

Preço

-Motor

-Hélice

-Uso Hobby

Tabela 11 - SkyRanger

Peso 2.400g

Dimensão 1.020mm diâmetro

Alcance 3.000m

Autonomía 50min

Batería Lipo 12 células 4100mAh 44.4V

Câmera HD e IR

Preço

-Motor

-Hélice

-Uso Profissional

Fonte: Aeryon - adaptado pelo autor

Tabela 12 - Bebop 2

Peso 500g

Dimensão 328x382

Alcance 300m aproximadamente Autonomía 25min

Batería Lipo 2.700Ah

Câmera 1080P - lentes fisheye

Preço U$400,00

Motor

-Hélice 150mm

Uso Hobby

Fonte: Parrot - adaptado pelo autor

Para visualização e análise visual dos modelos escolhidos anteriormente, a Figura 21 reúne as imagens dos modelos citados, apontados pelo seu número de tabela.

Figura 21: Modelos analisados

Fonte: desenvolvido pelo autor

Além de dados técnicos pode-se citar também a capacidade e funcionalidades diferenciadas, de alguns dos modelos analisados. A primeira é a capacidade de programação de voo, na qual é possível programar uma trajetória a ser percorrida pelo VANT assim como pré-determinar ou controlar o direcionamento da câmera.

Semelhante à função anterior, há a possibilidade de ativação do auto piloto, onde a aeronave realiza o retorno para as proximidades do controlador de maneira autônoma, caso a mesma tenha saída do campo de visão. Derivada da mesma, há também a possibilidade de optar por uma aterrissagem de modo autônomo.

Funções como “track and follow” permitem ao usuário definir um objeto a ser seguido de uma distância mínima pelo VANT, utilizando como referência um objeto a ser carregado ou pré-programa por identificação visual.

Em alguns modelos é possível encontrar dispositivos que emitem e recebem os sinais com o objetivo de detectar objetos e calcular sua distância dentro em um raio próximo. Os VANTs podem então realizar movimentos evasivos a fim de evitar acidentes caso detectados diferentes objetos.

Do ponto de vista estético os modelos profissionais apresentam formatos pouco desenvolvidos, de aparência muito robusta, estática e quase totalmente simétrica. A exposição dos elementos estruturais e componentes são recursos que exaltam sua característica robusta, no entanto, dão também um aspecto de “aglomerado de partes” ou “produto técnico”, podendo ser mal interpretado ao analisarmos os aspectos e sinais de qualidade. Já os modelos para hobby apresentam uma fluidez formal, trazendo elegância visual ao produto, atrelados aos recursos de variação de acabamentos de superfície e cores. Entretanto, para os modelos que apresentam sistemas gimbal, pés retráteis ou hastes dobráveis para facilitar o transporte, requerem um maior número de peças, demandam maior desenvolvimento de projeto e podem apresentar fragilidade estrutural.

Ainda assim, é comum a todos os modelos analisados, o elevado número de peças e partes que compõem o corpo e o chassi, fator este, indesejado para o processo de manufatura, por requerer diferentes etapas de montagem, processos e métodos de fabricação.

Em suma, o modelo Bebop 2 da empresa Parrot é interpretado como boa referência para pregnância visual, acabamento de superfície e solução formal pela incorporação da câmera ao corpo. O dimensionamento do produto também chama a atenção por ser o menor modelo encontrado, e ainda assim, apresentar autonomia de voo semelhante aos demais modelos para hobby. Seu alcance, porém, é seu ponto negativo, sendo curto demais. Os modelos da empresa chinesa DJI, por sua vez, são referências positivas pelo raio de alcance do receptor, podendo captar sinal até 6.000 metros de distância.

A bateria por sua vez não se pode executar uma avaliação comparativa, tendo em vista que cada modelo conta com uma bateria que supra e forneça energia demandada pelos componentes, bem como as finalidades do VANT.

As câmeras identificadas atendem ao objetivo da proposta de cada VANT. Aqueles destinados ao hobby apresentem uma qualidade superior da captação da imagem assim como dimensionamento de tela de captura. Modelos para segu

Por fim, um ponto pertinente a ser considerado sobre os valores dos produtos. A diferença entre a soma dos valores dos componentes que compõem a arquitetura básica do quadrirrotor, com o valor dos modelos analisados, expõem, ao serem considerados também as funcionalidades dos produtos, dois fatores que causam grande impacto na diferença desses valores: a incorporação do sistema

4 MATERIAIS E PROCESSOS

Com o intuito de viabilizar a fabricação na unidade fabril da empresa, serão descritos de maneira sucinta o principal processo de fabricação e material disponíveis, sendo eles, a moldagem de polímeros por injeção e o ABS. Integram-se também aos recursos disponíveis, aplicações de logo, detalhes e marcações por tampografia.

4.1 Moldagem de polímeros por injeção

A Intelbras conta com trinta máquinas injetoras na sua matriz (Figura 22). Conforme alinhado com o departamento de Engenharia Mecânica, a capacidade máxima das mesmas são blocos de molde de 1,5 toneladas e um dimensionamento de 800mm vertical, 580mm horizontal e 580mm de profundidade. Como referência para força de fechamento de molde, foi utilizado o modelo Central de Incêndio da Intelbras, produto que apresenta o maior dimensionamento dentre os produtos injetados pela empresa, sendo a força utilizada de 240 toneladas.

Figura 22: Máquina injetora

Fonte: solucoesindustriais.com.br

O processo de moldagem de polímeros por injeção consiste na conformação de material polimérico para obtenção de produtos ou peças. Semelhante aos demais processos de conformação, sempre envolvem etapas de aquecimento da matéria prima, moldagem e resfriamento da peça. (LIMA, 2016).

Este processo apresenta vantagens produtivas tais como alto volume de produção, ótimo acabamento de superfície e peças, barateamento do custo unitário comparado ao capital investido, elevada precisão dimensional como também pode operar com uma grande variedade de termoplásticos. Entretanto para que uma peça venha a ser injetada é sumamente necessário que o produto final justifique a necessidade deste processo, tendo em vista seu alto custo de investimento e manutenção de máquina (LEFTERI, 2010).

As peças a serem injetadas devem também respeitar especificações fundamentais para uma correta conclusão do processo. As mesmas devem apresentar ângulos de extração superiores a 2,5º a fim de não comprometer o acabamento da peça ou até mesmo a impossibilidade de extração.

Peças complexas, que apresentam reentrâncias, espessura de parede variável insertos ou roscas podem também ser injetadas, porém sem perder de vista que acarreta acréscimos significativos no custo ferramental como aumento de risco também (LEFTERI, 2010).

4.2 Tampografia

Neste processo a imagem a ser aplicada o produto é gravada em uma placa de aço, cobre ou náilon (clichê), da qual a tinta é transferida para uma almofada de silicone, chamada de tampão e pôr fim ao produto (ASHBY et al, p. 319, 2011). As etapas do processo são descritas por Ashby (et al, p.319, 2011):

1- Gravação no clichê da imagem a ser transferida;

2- Compressão do tampão contra o clichê para transferência de tinta; 3- Compressão do tampão contra a superfície a receber a aplicação; 4- Transferência da tinta à superfície.

A passagem da tinta para o produto, na etapa 3, se dá uma vez que a superfície para aplicação apresente maior aderência que o tampão. As vantagens

deste processo são o baixo custo ferramental, a capacidade de imprimir sobre superfícies irregulares e qualidade nos detalhes.

4.3 ABS

O ABS ou acrilonitrila butadieno estireno é um polímero termoplástico que apresenta boas propriedades físicas e sensoriais e é utilizado principalmente para eletrodomésticos e eletroeletrônicos. Lima descreve o ABS:

Apresenta cristalinidade muito baixa, excelente acabamento superficial e custo médio. Suas propriedades são a rigidez, boa resistência mecânica a impactos e boa aparência após processamento, não só por seu alto brilho como também pela capacidade de reproduzir detalhes com extrema precisão (textura, logotipo, brilho intenso, etc.) (LIMA, p.157, 2006) O mesmo é obtido pela copolimerização dos polímeros acrilonitrila, butadieno e estireno onde cada um fornece uma propriedade física. A acrilonitrila dá resistência térmica e química, o butadieno dá ductilidade e resistência e o estireno dá uma superfície brilhosa, fácil de usinar e a custo mais baixo (ASHBY et al, p. 215, 2011)

A Intelbras trabalha com a injeção de ABS branco ou preto em seus produtos, podendo haver injeção em peças coloridas contanto que se justifique tal demanda. A longevidade e resistência do material frente a radiação UV, causador do amarelamento das peças, pode ser obtido com estabilizadores UV também disponíveis para injeção na empresa.

5 REQUISITOS

Tendo em vista a premissa da empresa de oferecer soluções eficientes, melhores que a concorrência, fabricação de baixo custo, a capacidade de produtiva da matriz e a viabilidade legal de utilização da solução as premissas e requisitos são apresentados na Tabela 13:

Tabela 13 - Necessidades e requisitos

Necessidade Requisito

Factível de injeção (aspecto financeiro)

Redução de peças: produto tampa/base Eliminação do sistema Gimbal

Factível de injeção (aspecto físico)

Dimensionamento máximo: 450x450mm Dimensionamento mínimo: 200x200 (distância entre eixos do rotor)

Peças injetadas em ABS branco ou pretos (chassi, carenagem e hélice), com 3º de inclinação para extração;

Boa performance e estabilidade

Peso máximo total de 5kg 4x rotores brushless 1200Kv 4x hélice de 240x110mm

1x bateria Lipo, 4200 a 5100mAh 11.1V 10C Alcance de rádio-controle de 6.000m a 8.000m Autonomia de 45min voo

Prover captação de imagem de qualidade

Unidade de captação VHD 1220 B;

Fixação no chassi com um amortecedor para cada parafuso Fonte: desenvolvido pelo autor

6 PROJETO CONCEITUAL

Para que o resultado de uma geração de alternativas, onde atributos de qualidade e identidade através de conceitos estéticos que se desejam atribuir ao produto sejam percebidos, é requerida a criação uma linguagem visual por meio de painéis semânticos que contemplem imagens que traduzam e exemplificam a mensagem a ser passada.

A Intelbras já contém no seu processo de desenvolvimento de soluções, atributos estéticos que todo produto deve apresentar conforme seu nicho. Para o segmento de produtos profissionais de uso distante, categoria na qual se enquadra um VANT, eles devem ser “discretos” ou “destacados”, sendo este último subdividido em aspecto de “robustez” ou “elegância”.

Se faz necessário então, encontrar e coletar por meio da pesquisa, produtos e imagens que traduzam esses conceitos para uma linguagem visual que se deseja atingir (Figura 23).

Figura 23 - Painel semântico

Com aporte do painel imagético para referências estético-formais, e visando o objetivo de diferenciação estética dos produtos analisados anteriormente, foi possível desenvolver a geração de alternativas em forma de desenhos e sketches. Neste processo toda ideia foi representada para que pudesse ser analisada a fim de identificar pontos positivos, os quais podem ser utilizados para refinamento.

Ainda assim se teve como ponto de partida o respeito pela arquitetura do quadrirrotor, estudada nos capítulos anteriores, que apontaram os componentes físicos que o compõe. Sendo assim os elementos da arquitetura do quadrirrotor, assim como a quantidade de cada um, são listados na Tabela 14.

Tabela 14 - Arquitetura do produto

Componente Quantidade Corpo 1 Microcontrolador 1 Receptor 1 Bateria 1 Módulo GPS 1 Motor 4 Hélice 4 ESC 4

Módulo de distribuição de energia 1

Unidade de captação de imagem 1

Módulo de transmissão de vídeo 1

Fonte: desenvolvido pelo autor

O resultado desta etapa (Figura 24 a 32) foi submetido à avaliação em conjunto com dois membros do setor de Design de Produtos da Intelbras.

Em primeira instância foram geradas alternativas modulares categorizadas como “plataforma de produtos” (Figura 24 a 26), nas quais “trata-se do desenvolvimento de famílias de produtos, de forma modular, que compartilham funções globais semelhantes, uma mesma estrutura física básica, e podem ser identificadas como produtos distintos” (ROZENFELD et al, p. 263, 2006). Para tal, foram ilustradas alternativas compostas por uma tampa e um chassi/base plano, prevendo neste último, uma área na região externa do produto destinada à fixação de um dos modelos de captação de imagem da empresa de até 500 gramas.

Figura 24 – Alternativas de VANT modular

Fonte: desenvolvido pelo autor Figura 25 – Alternativas de VANT modular

Figura 26 – Desenvolvimento de tampas para VANT modular

Fonte: desenvolvido pelo autor

Figura 27 – Desenvolvimento de tampas para VANT modular

Fonte: desenvolvido pelo autor

No entanto, durante a avaliação crítica com a equipe de design, esta abordagem não demonstrou bons resultados, tanto estéticos como técnicos. A exposição da câmera, como um corpo externo, demonstrava aspecto de fragilidade ao produto assim como poderia expor a mesma a riscos durante o voo e acarretaria

também na necessidade por mais elementos de fixação assim como constantes ajustes.

Em segundo momento foram desenvolvidas alternativas que explorassem uma unidade formal (Figuras 28 e 29), o que foi possível também pela escolha em adotar apenas os componentes eletrônicos necessários, excluindo o corpo polimérico da câmera, entre os componentes da unidade de captação de imagens.

Figura 28 – Alternativas com câmera integrada ao VANT

Fonte: desenvolvido pelo autor

Figura 29 – Alternativa escolhida - VANT com câmera integrada

A fim de promover a visualização da pregnância formal do produto, a peça que compõe a parte inferior do corpo foi também redesenhada também com mais atenção para concluir a etapa de geração de alternativas, sendo a última alternativa (Figura 29) o conceito escolhido para dar continuidade de desenvolvimento.

A execução de modelagem geométrica tridimensional via CAD (do inglês:

Computer Aided Design ou DAC, Desenho Assistido por Computador) foi iniciada

tendo como referência um esboço ilustrando o dimensionamento do molde apontado na tabela de requisitos.

A utilização de programas de modelagem virtual permitiu que os ajustes de dimensionamento do modelo levando em conta seus componentes fosse realizada concomitantemente. Para tal, foram construídos modelos volumétricos (Figura 30) de todos os componentes mencionados na Tabela 13.

Figura 30 – Modelagem dos componentes internos

Ao fim etapa conceitual pode-se gerar um modelo composto por três peças: a base que sustenta todos os componentes e peças, a tampa e a lente frontal, cuja transparência permite a câmera interna capturar as imagens (Figura 31).

Figura 31 - Modelo virtual

Fonte: desenvolvido pelo autor

A Figura 32 ilustra os detalhes conceituais desenvolvidos a fim de atingir o objetivo conceitual proposto. A Figura 33 a face inferior do produto, expondo seus apoios para aterrisagem e a Figura 34 e lateral do modelo.

Figura 32: Modelo final virtual - detalhes