ANÁLISE, MODELAGEM E IMPRESSÃO 3D DE UM FRAME PARA VANTs DO TIPO QUADRÍCOPTEROS PARA VOOS EM AMBIENTE INDOOR.

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1 ANÁLISE, MODELAGEM E IMPRESSÃO 3D DE UM FRAME PARA VANTs DO TIPO QUADRÍCOPTEROS PARA VOOS EM AMBIENTE INDOOR. Rafael da Rocha Gomes 1, Helosman Valente de Figueiredo 2, Alessandro Corrêa Mendes 3, Marcio Tadeu de Assis Honorato Muella 4 1 FEAU, São José dos Campos SP, Brasil, rochagomes39@gmail.com 2 FEAU, Laboratório de Robótica e Veículos Autônomos (LRVA), helosman@gmail.com 3 FEAU, Laboratório de Sistemas Embarcados e Robótica (LASER), alcomen@univap.br 4 FEAU, São José dos Campos SP, Brasil, mmuella@univap.br Resumo - O foco do projeto de pesquisa foi analisar, modelar e construir utilizando uma impressora 3D, um frame de um Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT) para voos em ambiente indoor. Esta aeronave será usada para experimentos laboratoriais, que exijam características especiais para ambientes indoor e de pesquisa, tais como, ser compacto, leve e uma estrutura que minimize os riscos aos operadores, pois dividirá espaço com pessoas. A motivação desta pesquisa se deu pelo fato dos frames disponíveis no mercado serem voltados para voos outdoor, como por exemplo, os utilizados para monitoramento. Com o intuito de proporcionar uma solução de aeronave para espaço laboratorial indoor, a proposta deste trabalho foi de modelar e imprimir em 3D um protótipo de frame que atenda todos os requisitos necessários para este tipo de voo. Palavras-chave: VANT IMPRESSO 3D, VANT INDOOR, QUADRICOPTERO. Área do Conhecimento: Engenharias Introdução Atualmente a área de veículos aéreos não tripulados (VANTs) vem ganhando espaço no mercado, tanto no uso comercial quanto na área de pesquisa. Nos dias atuais está mais fácil de ver VANTs em operação realizando tarefas as quais antes tinham um custo elevado e de alto risco(stegagno, 2015). Muitas áreas estão usando os VANTs como importante ferramenta, tais como, em cartografia, na inspeção aérea, usos militares e civis para monitoramento, segurança e defesa, e até mesmo em serviços de correio para entrega de produtos, empresas de filmagens, etc. Na área acadêmica vem sendo utilizado por diversas linhas de pesquisa, tudo isso graças à praticidade de se chegar a lugares inacessíveis com uma redução de custos quando comparado com os voos tripulados, além de utilizar energia limpa sem emitir poluentes ao meio ambiente. Muitos dos robôs aéreos disponíveis no mercado oferecem características que são voltadas para voos em ambiente outdoor, ou seja, ambientes abertos. Porém, para voos em ambientes fechados, chamados voos indoor, não existem muitas soluções, pois os robôs necessitam ter características especificas para esse ambiente, como por exemplo, serem compactos e leves, possuírem uma arquitetura especifica, dentre outros aspectos. Estes veículos de ambiente indoor devem minimizar os riscos, pois são usados em laboratório dividindo espaço com pessoas. Veículos aéreos não tripulados estão emergindo rapidamente como uma tecnologia de baixo custo viável para uso em diversas aplicações internas (M.MICHAEL, 2015) e podem vir a auxiliar em diversas tarefas dentro de um laboratório. A maioria dos modelos comerciais não são destinados para uso indoor, portanto não seriam eficientes e apresentam riscos aos operadores. A ideia de se colocar um VANT para voar em ambiente fechado é o de empregá-lo como uma ferramenta de apoio a pesquisadores realizando missões e auxiliando em atividades laboratoriais, de uma maneira que não ocupe muito espaço por ser compacto e aéreo. 1

2 Outro aspecto importante da pesquisa é a área de impressão 3D, pois impressões deste tipo são recentes e já despertam interesse em diversos setores da sociedade, porém operar equipamentos como as impressoras 3D requer conhecimento técnico. Hoje em dia existem modelos prontos para impressão 3D de VANTs que podem ser facilmente encontrados em sites na internet, porém se for necessário uma peça exclusiva para operação de um VANT em um determinado local específico, é necessário fazer o dimensionamento da peça dentro das necessidades para a aplicação. A matéria prima utilizada na impressão 3D é denominada filamento de impressão 3D. Os filamentos de plásticos mais comuns de se encontrar para impressões 3D são o ABS, PLA e o NYLON. Metodologia Quadrícopteros Quadrícopteros (muitas vezes também referidos como quadrirrotores) são helicópteros propulsionados por quatro rotores (Figura 1). Quadrícopteros representam uma subclasse de família mais geral de multicopteros, que são os veículos aéreos com um número arbitrário de rotores. Os primeiros protótipos de quadrícopteros foram introduzidos em 1920 (S. BOUABDALLAH, 2007), (A. DICESARE, 2008). Figura 1: Exemplo de quadricoptero. FONTE: ( O critério de escolha utilizado na seleção dos materiais foi de acordo com as necessidades e características pré-estabelecidas, tais como, ser leve, compacto, possuindo características que minimize os riscos, pois dividirá espaço com pessoas. A massa do quadrícoptero é de muita importância, pois quanto maior a massa, maior é o empuxo necessário em cada motor, logo o custo e o tamanho do motor também aumentam, refletindo na escolha do Electronic Speed Control (ESC). O valor e o tamanho do ESC variam de acordo com a corrente elétrica, então a escolha do ESC é em função da escolha do motor. A ordem da escolha dos materiais está ilustrada na (Figura 2). Os materiais selecionados para a construção do quadricoptero estão indicados na (Figura 3). Figura 2: Passos da seleção dos materiais. Fonte: Autor

3 Figura 3: Materiais selecionados para a construção do quadricoptero. Fonte: Autor Impressora 3D A impressora 3D utilizada na construção do protótipo é da marca MakerBot, modelo Replicator2, e suas especificações de impressão estão indicadas na (Tabela 1) e são de extrema importância para a construção do projeto, pois caso a área útil que a impressora disponibiliza seja inferior a área necessária para a impressão do objeto, então o objeto deverá ser dividido e impresso por partes. Parâmetro Volume de construção Máxima Resolução de Camada Precisão de posicionamento Filamento Especificação [28.5 X 15.3 X 15.5] cm Alto: 100 microns. Médio: 200 microns. Baixo: 300 microns. X: 11 microns. Y: 11 microns. Z: 2.5 microns. ABS 1.75 mm Diâmetro do Bico 0.40 mm Tabela 1: Especificações de impressão. Fonte: Autor, Resultados Antes de imprimir o protótipo é importante realizar simulações via CAD para certificar que a geometria projetada irá suportar as forças que se submeterão na prática. As forças aplicadas foram as de empuxo do motor e utilizando as características do material ABS. Na (Figura 4) as setas verdes indicam a área fixa, enquanto as setas na cor lilás representam as forças aplicadas. A barra de cores indica do azul ao vermelho, respectivamente, as regiões do frame que sofrem do menor até a maior quantidade da ação (deformação ou tensão). Por exemplo, as áreas vermelhas indicam onde ocorre maior deformação enquanto que as áreas azuis as regiões onde a deformação é nula. 3

4 Figura 4: Resultados das simulações de deformação e tensão aplicadas ao modelo. Fonte: Autor, A (Figura 5) ilustra o modelo CAD modelado via software com características que atendam as necessidades pré-estabelecidas para voos em ambiente indoor. Figura 5: Modelo CAD. Fonte: Autor, 2016 Discussão Os resultados dos testes de deformação e tensão aplicados ao protótipo foram positivos. Na (Figura 4) existe uma escala que informa a quantidade de força ou deformação que o protótipo sofreu. Nas áreas azuis a deformação é nula, enquanto que nas regiões da figura mais próxima das cores amarela e laranja, observam-se as áreas onde a peça sofreu maior deformação. Todavia, é possível observar que não existem áreas vermelhas que caracterizam partes de possíveis rupturas na estrutura, demonstrando que o protótipo modelado via CAD foi diagnosticado como apto para ser impresso, pois suportará a força que será submetida na pratica. O modelo final, ilustrado na (Figura 5) no decorrer de seu desenvolvimento passou por modificações relevantes. Por exemplo, houve um aumento no tamanho original do frame, pois sendo menor não teria muito espaço para a cablagem. O modelo final projetado também ganhou detalhes como o encaixe entre os braços e o corpo central, em que foi feita uma espécie de canaleta para a passagem 4

5 com segurança dos fios de alimentação de cada ESC. Além disso, foi escolhido o sistema de fixação através de parafusos para unir os braços ao corpo, e no centro do corpo do frame foram feitas aberturas para fixação dos componentes eletrônicos. Na (Figura 6) é apresentado uma imagem do protótipo impresso utilizando como material o ABS. Figura 6: Resultado da Impressão. Fonte: Autor, Conclusão No desenvolvimento deste projeto de pesquisa foram empregadas técnicas de modelagem e impressão 3D e foram feitas pesquisas a respeito das técnicas de modelagem e procedimentos de impressão. As técnicas de modelagem foram realizadas utilizando softwares de CAD Não existem muitos trabalhos na literatura que abordem sobre a construção física de um quadrícoptero indoor, uma vez que a vasta maioria dos trabalhos neste tópico é voltada para o desenvolvimento de sistemas de controle de voo. Com os resultados alcançados neste projeto de pesquisa será possível montar um quadrícoptero para voar em ambiente indoor, através da listagem de materiais e modelo de frame modelado. Como aspecto inovador introduzirá como alternativa a impressão do frame, com a ideia de gerar resultados superiores aos frames comerciais, além de fornecer um custo inferior. Após a pesquisa de materiais, seguida de um projeto de frame que atenda as necessidades, se chegou a um modelo que foi impresso e demonstrou ser eficiente cumprindo as necessidades préestabelecidas, como, ser leve e compacto. Por sua vez poderá acomodar a parte eletrônica e cumprir o objetivo de realizar voos indoor. Referências A. DICESARE et al., Design optimization of a quad-rotor capable of autonomous flight, Major qualifying project Report, WorcesterPolytechnic Inst., Worcester, MA, M.MICHAEL, The Rising Demand for Indoor Localization of UAVs. Disponível em: Acesso em 27 de dezembro de S. BOUABDALLAH, Design and control of quadrotors with application to autonomous flying, Ph.D. dissertation, Dept. Sci. & Technol. Eng.,École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Lausanne, Switzerland,

6 STEGAGNO, P. Indoor localization of UAVs, 2015, Max-Planck-Gesellschaft, Disponível em: < Acesso em :26 maio,