Melhorando a Estabilidade de VANT com Atuação de Elevon Sem Placa de Coração

Veículos aéreos não tripulados (VANTs) de decolagem e pouso vertical (VTOL) conseguem decolar e pousar como Drones multirrotores, enquanto voam de forma eficiente em longas distâncias, parecido com aviões de asa fixa. Existem vários designs para esses VANTs, incluindo tilt-rotor, tilt-wing e tail-sitter. O design tail-sitter é especialmente útil porque não precisa de partes adicionais que se inclinem, tornando tudo mais simples e compacto.

Dentro dessa categoria, VANTs tail-sitter com dois rotores podem usar menos motores e hélices em comparação com os tipos quad-rotor. Isso os deixa mais leves e fáceis de carregar. No entanto, esses VANTs enfrentam alguns desafios com faixas de movimento limitadas e superfícies de controle menores, o que pode afetar a estabilidade e o desempenho.

Um problema significativo surge quando o VANT está pairando. Rajadas de vento podem ter um grande impacto na estabilidade, especialmente porque as asas podem pegar muito vento. O controle é principalmente conseguido através dos elevons (flaps das asas), que ajudam a gerenciar tanto movimentos de inclinação quanto guinada. Infelizmente, quando um controle forte é necessário para inclinação e guinada, os elevons podem ficar sobrecarregados, levando à perda de controle ou instabilidade.

Além disso, durante a decolagem, a proximidade entre os elevons do VANT e o chão afeta suas capacidades de controle. O fluxo de ar para baixo dos rotores pode interferir nos elevons, levando a movimentos de inclinação indesejados que podem causar quedas.

Para resolver esses problemas, um novo método de atuação chamado atuação de elevon sem plataforma (SEA) foi proposto. Esse método utiliza um mecanismo especial que pode ajustar as velocidades dos motores sem precisar de partes extras. Ao modificar a velocidade dos motores, a SEA pode oferecer controle adicional para a inclinação enquanto os elevons ficam responsáveis pela guinada. Essa separação de controle permite uma melhor manobrabilidade, mesmo em condições de vento.

O design da SEA traz vários benefícios. Ao diminuir a dependência dos elevons para controle de inclinação, reduz o risco de sobrecarregá-los, melhorando assim o desempenho. Também melhora a estabilidade durante a decolagem, já que o novo mecanismo opera independentemente do fluxo de ar proveniente dos rotores.

#Estrutura do VANT

O VANT, chamado Hong He, foi projetado para tarefas eficientes de mapeamento e escaneamento ao ar livre. Ele vem equipado com ferramentas avançadas, incluindo LiDAR (Light Detection and Ranging) para escaneamento a longa distância e um computador de bordo prático para processamento de dados. O VANT tem uma envergadura de 107 cm, pesa cerca de 2,25 kg e possui uma velocidade de cruzeiro de cerca de 9 m/s.

A estrutura do corpo do VANT foi projetada para fácil montagem e manutenção usando materiais leves. Um controlador de voo opera o sistema de controle, conectando vários componentes, como motores, servos para os elevons e encoders que monitoram os ângulos dos rotores.

#Mecanismo Sem Plataforma

O mecanismo sem plataforma imita certas funções encontradas nos controles de helicópteros, permitindo empuxo e controles sem a necessidade de componentes complexos. Essa estrutura inclui dobradiças passivas que permitem que a rotação do motor gere empuxo desequilibrado, criando o momento de controle de inclinação necessário.

Esse sistema é projetado para operar suavemente, reduzindo o atrito e permitindo movimentos eficientes e respostas mais rápidas. Ele aumenta a capacidade do VANT de lidar com várias condições de voo e distúrbios de forma mais eficaz.

#Visão Geral do Sistema de Controle

O sistema de controle do VANT permite diferentes métodos de entrada, seja manual através de um controle remoto ou autônomo via computador de bordo. A seção de controle integra software padrão com ajustes específicos feitos para o funcionamento da SEA.

#Princípios de Atuação

Tanto os métodos de atuação SEA quanto os tradicionais de elevon compartilham algumas semelhanças na geração de empuxo e controle de rotação e guinada. Ambos usam motores para fornecer sustentação, enquanto os elevons cuidam do controle de guinada. No entanto, a grande mudança com a SEA vem do modo como a inclinação é controlada. Em vez de depender de ajustes dos elevons, a SEA emprega mudanças na velocidade dos motores para fornecer o controle de inclinação necessário.

Essa distinção permite que cada método de controle funcione de forma independente, reduzindo o risco de sobrecarga dos elevons durante manobras complexas. A SEA pode oferecer controle e desempenho aprimorados ao lidar com distúrbios, graças a essa separação de tarefas.

#Comparação de Desempenho

Vários experimentos foram realizados para medir as diferenças de desempenho entre a SEA e a atuação convencional de elevon (CEA). Isso inclui desempenho durante a decolagem, capacidade de seguir trajetórias específicas e estabilidade contra distúrbios.

#Desempenho de Decolagem

Em testes, três cenários de decolagem foram analisados: CEA em condições normais, CEA decolando de uma superfície elevada e SEA durante uma decolagem normal no solo. Ficou claro que o método convencional enfrentava dificuldades devido ao fluxo de ar próximo ao solo que impactava a eficácia dos elevons.

Em contraste, a SEA demonstrou uma capacidade notável de manter o controle durante a decolagem. Os erros de inclinação registrados foram significativamente menores com a SEA, mostrando sua eficácia mesmo quando perto do chão.

#Rastreamento de Trajetória

Para avaliar a capacidade de rastreamento, uma trajetória em forma de oito foi utilizada nos experimentos. Os resultados indicaram que o VANT com SEA manteve sua trajetória melhor do que o que usava CEA. A SEA apresentou erros de posição e atitude menores, confirmando sua vantagem em manobras precisas.

#Rejeição de Distúrbios

Manter a estabilidade em meio a distúrbios externos é um teste crucial para VANTs. Os experimentos envolveram manter o parágrafo sob condições de vento e realizar etapas de posição enfrentando rajadas de vento.

Nos testes de pairar, ambos os métodos de atuação conseguiram manter o controle de posição, mas a SEA se destacou em minimizar erros relacionados à inclinação e posição, apesar da turbulência. Durante as etapas de posição, o VANT usando CEA enfrentou problemas significativos de oscilações na inclinação e guinada, enquanto a SEA conseguiu uma resposta mais suave com erros mínimos.

#Transição e Modo de Asa Fixa

A transição de pairar em modo multirrotor para voo em modo de asa fixa foi outro teste vital para a SEA. Os resultados indicaram que o VANT poderia fazer a transição suavemente e manter o controle estável mesmo em ambientes de alta velocidade. Embora houvesse pequenas flutuações na rotação e guinada, essas permaneceram mínimas, mostrando a eficácia da SEA em condições variadas.

#Conclusão

Esse novo método de atuação, a atuação de elevon sem plataforma, provou ser benéfico para VANTs de dois rotores, especialmente na gestão dos controles de inclinação e guinada separadamente. Os experimentos ressaltam as vantagens da SEA em relação aos métodos tradicionais, particularmente em rastreamento de alvos, estabilidade na decolagem e manuseio de distúrbios.

Ao diminuir a dependência dos elevons para controle de inclinação, o VANT se torna mais resistente a condições saturadas e, assim, melhora sua operação geral em cenários de voo desafiadores. Os resultados positivos dos testes de transição e modo de asa fixa comprovam ainda mais as capacidades da abordagem SEA, marcando um avanço notável na tecnologia de VANTs.