TPICOS PRINCIPAIS: UNMANNED AIR SYSTEMS - DESIGN DEVELOPMENT AND DEPLOYMENTMESTRADO EM ENGENHARIA ELTRICA E INFORMTICA INDUSTRRIAL UTFPR - CURITIBA ALUNO: NATHANYEL SANDI

Introduo - Sistemas areos no tripulados (UAS)

Sistema areo sem tripulao;

Sistema computadorizado e um link de rdio;

Sistema areo completo: Interface entre o operador e o sistema (Control Station), carga necessria (sensores, cmeras, etc) , Sistema de comunicao, equipamento de manuteno.

O que UAS?Sistema composto com subsistemas;

Aeronave;

Cargas necessrias;

Estao de controle;

O que diferencia de um sistema tripulado a forma de controle (sem tripulantes)

No pode confundir com drones (pois drones so desenvolvidos para tarefas especficas, no possui inteligncia), UAS possui um grau de inteligncia.

Se uma falha acontecer, deve aplicar uma metodologia auto-corretiva. (ex: redundncia)

Razes de um UAS

Econmicas: Em mdia 40% mais barato que veculos tripulados;

Papis de risco (aplicaes civis e militares) - ex: monitorar um ambiente nuclear;

Aplicaes militares;

Pesquisas de campo - agricultura, civil, etc...

UAV - Estrutura funcional

Estao de ControleForma de comunicao com a aeronave;

Troca de informaes;

Basicamente uma central de comunicao com outros sistemas;

Usado para a coleta e transferncia dos dados.

Carga NecessriaBusca a simplicidade;

Normalmente consiste de um sistema de vdeo e uma rede de sensores.

Veculo Areo definido de acordo com a misso (em funo da performance, velocidade e energia), pela quantidade de subsistemas;

Controle de estabilizao;

Configuraes verticais ("x" cpteros - at 210km/h) ou horizontais.

Sistema de NavegaoNecessrio ter a posio da aeronave em qualquer momento;

Atualmente usado o GPS (em caso de falha usa-se radar ou direct reckoning).

Sistema de Decolagem e Recuperao

Decolagem: Sistemas que no usam propulso vertical, normalmente usam um impulso com uma fora x para decolar;

Equipamento de recuperao (Exigido pelos veculos com decolagem vertical) : Formato de parachoque para absorver impactos;

Equipamento de Pouso: Equipamento para retornar a aeronave par abase. (a no ser que a nave seja de peso leve).

ComunicaoLink de dados entre a aeronave e a central de controle;

Uplink;

Downlink.

Maioria das transmisses feita por rdio frequncia.

Interface com outros sistemasComunicao com outros tipos de sistemas, como por exemplo envio de dados para um sistema X que interpreta estes dados e retorna um resultado Y.

Equipamento de SuporteSuprimento a energia;

Testes;

Manuteno.

TransporteVertical;

Horizontal.

Adaptao ao ambienteReconhecer o impacto no ambiente que opera, e estar preparado para o mesmo;

Tambm analisar o possvel impacto que o UAV pode causar no ambiente e se aceitvel.

Design Detalhado

Anlise detalhada:

Aerodinmica, Estrutura

Sistema, Mecnica;

Layout

Layout;

Eletrnica;

Estao de controle.

Design Preliminar

Maximizar performance;

Definio do material;

Prottipos em 3D usando software de design;

Baixar custos;

Definio do design completo do sistema.

Projeto conceitual

Planejamento do custo comercial e viabilidade;

Requisitos:

Seleo do sistemaCarga necessria - Deve se considerar o peso e a distribuio de massa da minha carga necessria (ex: webcam frontal, sensores traseiros etc...)

Resistncia - A massa da aeronave e a capacidade de combustvel implicam diretamente na eficincia.

Raio de Ao - Deve ser limitado de acordo com o combustvel, energia, raio de comunicao, velocidade e frequncia.

Veculo areo - Topologia e design;

Navegao - Sistema GPS, e sistemas redundantes em caso de falha.

Seleo do sistema Velocidade - Depende do que a aplicao exige

Sistema de decolagem e recuperao:

Decolagem, recuperao e retorno/ base.

Integrao de todo o sistema - Estar preparado para integrar com diferentes tipos de sistemas;

Adaptao ao ambiente;

Manuteno,

CONFIGURAO DO AIRFRAME AERODINMICA

Fora de Arrasto InduzidaFora de arrasto: Originada da propulso da aeronave para manter a velocidade (Di);

Necessrio minimizar devido a fora aerodinmica (L), a melhor relao entre a defeco do ngulo do fluxo do ar que igualado a fora de arrasto por velocidade

Fora de arrasto induzida

Ki = Constante da eficincia distribuda na asa;

L/b = Espao de carga (N/m)

q = Fora do vento

P = Resistncia do ar

V = Velocidade da aeronave

Fora de atrito parasitaCausa uma maior fora de arrasto;

Proporcional a velocidade

Quanto menor o atrito parasita maior a fora aerodinmica;.

A asa deve produzir arrasto suficiente para opor o peso da aeronave

Fora de atrito Atrito Parasita

Para estimar a Fora de Arrasto (a qualquer momento do projeto) considera-se o coeficiente de atrito, a rea da aeronave e a fora do vento (q)

necessrio considerar o incremento da ao da asa em alto incidente, onde o coeficiente aerodinmico (tende a ser pequeno) multiplicado pela constante.

Fora Aerodinmica (L)Deve ser alta suficiente para opor o peso da aeronave;

Normalmente a parametrizao feita atravs da Velocidade mnima para voo (Vmin).

Onde Cl o coeficiente de habilidade da asa de rea S defletir a corrente do ar (varia em funo do design da aeronave)

Velocidade Mnima (Vmin)Para encontrar a velocidade mnima buscando um caso real, em vez de usar o Cl mximo usa-se o Cl de operao de acordo com o design da aeronave.

A diferena do de operao e do mximo de menor de 0,2

A frmula reescrita adicionando a fora de carga nas asas (w), a resistncia do ar em relao ao nvel do mar (Po) e a densidade relativa da atitude ()

Variao da Vmin com a Fora na asa

PARA VECULOS VERTICAIS Fora de arrasto induzida

Basicamente o mesmo mecanismo das asas fixadas;

Diferena apenas no tipo de movimento;

A fora de arrasto produzido basicamente um torque;

Agora a fora da asa passa a ser a fora em cima do disco.

PARA VECULOS VERTICAIS Variao da fora aplicada no disco de acordo com a velocidade

PARA VECULOS VERTICAIS Velocidade do rotor

A velocidade induzida do rotor dada por:

Kn = Fator de correo para compensar a eficincia da distribuio da fora aerodinmica e a fora das vrtices da ponta gerada.

p = Fora aplicada na rea do disco de rotao

= Presso do ar

PARA VECULOS VERTICAIS Fora de atrito parasita Energia Necessria (Profile Power)

A = rea total da lmina

Vt = Velocidade da rotao

= Coeficiente de arrasto

Para voos mais complexos, fora de arrasto considerada separadamente chamada Profile Drag;

a energia necessria para rodar o motor contra a fora de arrasto o somatrio ao longo do comprimento da p do rotor do arrasto da lmina dividido em seces elementares, multiplicado pela velocidade elemento local e raio.

PARA VECULOS VERTICAIS Energia Necessria (Profile Power)

Em movimento cada lmina no descreve mais rbita circular;

Resultado: aumento da potncia;

A energia gasta na traduo do rotor, bem como gir-lo;

Para obter o valor energia, uma equao de alimentao em srie , o "coeficiente de avano - Razo da velocidade de avano e a velocidade de ponta do rotor tendo por aproximao (1 + 4,73 2)

Resposta a turbulnciaDeve ser reduzida ao valor mnimo;

Possui alta resposta a turbulncia:

a) Se a UAV possui uma forte estabilidade aerodinmica;

b) Se possui uma larga rea de superfcie e uma alta relao ente elas comparado com a massa da aeronave.

Configurao da aeronaveHTOL - Horizontal take-o and landing

VTOL - Vertical take-o and landing

Modelos HbridosModelos que usam modo horizontal e vertical;

Normalmente usam o vertical para decolagem e aterrisagem e horizontal para se locomover com uma maior velocidade.