Índice

01- Introdução ao projeto de um drone movido a ar comprimido com motor elétrico– Tipos de drones existentes atualmente– Meu projeto, uma iniciativa diferente– Comparações dos drones existentes com o projeto apresentado

02- Tomando como modelo equipamentos existentes para o desenho 3D

– Motor, bomba centrífuga, cilindro de ar comprimido, baterias, CPU.– Descrição do projeto e suas funcionalidades.

03- Disposição dos componentes na carcaça do drone

– Descrição dos componentes e suas localizações.– Visualização em detalhes de cada componente e uma visão geral deles na carcaça do

drone.

4- Sistema de funcionamento do drone– Princípio de funcionamento do drone– Descrição pormenorizada do funcionamento do drone– Dispositivos de orientação do drone, como cameras de vídeo 3D, autofalantes,

audiofones, gps.

5- Funções dos bocais e dos bicos de ar comprimido– Características das turbinas, ou bocais, de ar comprimido que dão empuxo ao drone.– Funções dos bicos de ar comprimido, nas diversas manobras do drone, durante o vôo ou

na condição de pairar no ar.

6- Acessos ao interior do drone– Tampa que dá acesso na entrada de ar no topo da carcaça do drone– Portas do bagageiro, da Cpu e das baterias

7- Principais conjuntos de sistemas do drone– Conjunto formado pela Cpu– Sistema elétrico, formado pela central de energia, baterias e carregador de baterias– Sistema de ar comprimido, formado pela bomba centrífuga, motores elétricos, baterias– Tubulações e fios

8- Dirigibilidade do drone– Detalhe inovador nas asas– Leme giratório

9- Considerações finais– Referências na execução dos desenhos em 3D– Duas opções do drone: com asas e sem asas– Comparações do projeto do drone com os existentes– O que este drone faz mais em relação aos existentes

01- PROJETO CONCEITUAL DE UM DRONE QUE FUNCIONA COM AR COMPRIMIDO E ENERGIA ELÉTRICA

Introdução- Existem atualmente vários tipos de drones para as mais diversas finalidades, principalmente na área militar.

Basicamente são do tipo helicóptero em miniatura, com hélices girando sobre o aparelho. Também há aqueles do tipo quadricóptero, com quatro hélices no sentido vertical, sendo estes os mais comuns, e ainda aqueles que tem um numero maior de hélices. Também há modelos do tipo de avião em miniatura, utilizados principalmente na área militar, na vigilância de fronteiras, etc.

Estas aeronaves em miniatura são muito úteis e práticas, resultando em muita economia, além de maior eficiência em certas áreas, como filmagens jornalísticas, vigilância, explorações em locais inacessíveis, agricultura, missões científicas, policiamento.

O maior problema é o mau uso deles, pois podem causar muitos danos nas mãos de terroristas, traficantes, criminosos.

É porisso que em muitos paises o uso desses aparelhos é controlado pela legislação. Seu uso restringe-se na maior parte das vezes na utilização pelos órgãos governamentais e militares.

Meu projeto- Ainda assim resolvi desenvolver um projeto de um drone, mas um drone diferente.

Em vez das hélices provocando empuxo para o drone voar, no meu projeto conceitual utilizei ar comprimido.

Afinal, já até existe carro movido a ar comprimido, por que não um drone, que é bem menor, não iria funcionar?

Ainda não vi, pesquisando na internet, um drone movido a ar comprimido. Será que isso já foi pensado e que que se chegou a conclusão de que não é viável?

Mesmo assim, levei adiante o meu projeto conceitual de um drone movido a ar comprimido, produzido por um motor elétrico em conjunto com uma bomba centrífuga, bateria e um cilíndro de ar comprimido.

Diferente do modo convencional atual das hélices atuando diretamente no ar, conforme se vê no sistema dos drones que circulam por aí, tanto nos quadricópteros comos nos helicópteros minituarizados, neste projeto o ar comprimido é “domesticado”, e assim, pode-se usá-lo como quiser, para as mais variadas aplicações, diminuindo ou aumentando sua intensidade.

Acredito que o ar comprimido seja mais eficiente e dará mais empuxo do que hélices atuando diretamente no ar. Com a pressão do ar comprimido num nível adequado no interior do cilindro, a nave alçará vôo .

Assim, em vez de quatro ou mais motores elétricos utilizados nos drones atuais, neste projeto é utilizado apenas um principal e um outro auxiliar.

02- TOMANDO COMO MODELO EQUIPAMENTOS EXISTENTES

Para o motor, sugeri um de uma bicicleta elétrica. A bomba centrífuga, o modelo são dessas comuns existentes. A bateria, além de uma fixa, incorporei também uma outra removível. O cilindro de ar comprimido, existe enorme variedade deles existentes no mercado.

Tomei como referência estes equipamentos para fazer o meu projeto conceitual.Também na

questão do design, fiz o que meu pareceu mais fácil. A reestilização ficaria por conta de profissionais em design, caso o meu projeto venha um dia ser construido.

No meu projeto não se vê hélices ou pás giratórias. Apenas o formato do que parece ser de um disco voador. Isso se deve ao formato da bomba centrífuga, que é redonda.

Em destaque são o que parecem ser turbinas, quatro no sentido vertical, localizados na parte inferior da nave, e duas no sentido horizontal, localizados na parte traseira desta, na verdade são bocais de saida de ar comprimido.

Na frente, dois farois, e entre eles, uma camera de vídeo, além de dois autofalantes e dois audiofones.

Na parte superior, um conjunto de asas, na frente e atrás, que dão estabilidade no aparelho e também executam operações de fazer com que mude de direção, para a esquerda, direita, para cima ou para baixo, estando em velocidade.

Na condição de pairar no ar, os quatro bicos de ar cumprem a função de avançar, recuar, girar para a direita ou esquerda, e até mesmo avançar lateralmente, em ambos os sentidos.

Para pouso da nave, dois trens de pouso localizados na parte inferior da nave.

3- DISPOSIÇÃO DOS COMPONENTES NA CARCAÇA DO DRONE

– A bomba centrífuga (03)fica no centro da carcaça (01) do drone, acima do motor elétrico (04, e tem sua boca que capta o ar voltada para cima, direto para a tampa (02) da carcaça. - O motor elétrico (04), no caso, representei um modelo de uma bicicleta elétrica, e é alimentado por duas baterias.- A bateria fixa (05) fica abaixo do suporte do motor auxiliar (08), conectado na central de energia (07). Ela pode ser abastecida por energia elétrica atravéz do carregador de baterias (09).- Também a bateria removível (06) acha-se conectada diretamente na central de energia (07).- A central de energia elétrica (07) recebe e disbribui energia elétrica das baterias para todo o sistema do drone, e faz funcionar desde a central de informática assim como todos os demais componentes.- O motor elétrico auxiliar (08) tem a função de recalcar o ar para dentro do cilindro de ar comprimido, aumentando a pressão lá dentro.- O cilindro de ar comprimido (10) na verdade foi desenhado para acompanhar o contorno da bomba centrífuga, e tem o formato de uma salsicha, ou um rim. Ele recebe o ar que vem sob pressão da bomba centrífuga. Distribui o ar comprimido para os bocais verticais e horizontais. A partir dele, o ar comprimido distribui-se para todos os dispositivos.- Os bocais horizontais (11) e verticais (12) recebem o ar comprimido do cilindro atravéz das tubulações (13).- Os bicos de ar comprimido, responsáveis pela mudança de direção da nave, em situações de pairar no ar, dois de cada lado da nave, também recebem ar comprimido do cilindro, atravéz das tubulações (14).

- Para o controle de todo o sistema do drone, uma central informatizada cuida disso. É constituido de uma cpu (16)e um monitor (17), mas até pode ser um tablet.

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4- SISTEMA DE FUNCIONAMENTO DO DRONE

Inicialmente se faz a programação do roteiro do drone pela pessoa que o controla, pelo sistema informatizado diretamente na nave, ou via controle remoto. O motor elétrico, que recebe energia elétrica atravéz das baterias, liga e aciona a bomba centrífuga, sugando o ar que passa pela tampa perfurada da carcaça da nave, conforme se vê na indicação das setas.

O ar bombeado vai direto para o cilindro. Antes disso, na saida da bomba centrífuga e na entrada do cilindro, uma bomba auxiliar recalca ainda mais o ar que já vem sob pressão, e esta pressão aumentada é que entra no cilindro. A bomba auxiliar faria a função dos pistões do sistema de ar comprimido, mas certamente que não com a mesma potência, porém o suficiente para dar uma boa pressão no interior do cilindro, e fazer com que a nave suba e voe.

O cilindro disbribui o ar comprimido para todos os componentes, a começar pelos quatros bocaiss verticais, que fazem a nave subir. Depois, o sistema computadorizado aciona os bocais horizontais, fazendo com que a nave comece a voar para frente, ao mesmo tempo que se reduz gradativamente o ar dos pistões verticais, até o momento que a nave ganhe sustentação nas asas, e somente funcionem as turbinas horizontais.

As asas dianteira e traseira, com o leme, além da estabilidade do voo, também direcionam a nave conforme se queira, ora para direita, esquerda ou subir e descer.

Quando chega ao destino, o drone guiado pelo GPS, assume a posição de aterrisagem, ao mesmo tempo em que se diminui a intensidade nos pistões horizontais, os pistões verticais são acionados, e então nave começa a descer verticalmente, tudo isso controlado pelo computador e pelo controlador, que ve tudo pela camera 3D, de alta resolução como se ele estivesse pilotando a nave.

Além da camera 3D, que gira num ângulo de 90°, para frente e para baixo, a nave conta com:

– Os dois potentes faróis (20) que também giram simultaneamente com a camera 3D.– Dois potentes autofalantes (21) deverão ser capazes de emitir sons de alertas audíveis a uma boa distância, como avisos de catrástofes iminentes, ou de orientações . – Os dois audiofones (22) deverão ter grande sensibilidade, para captar sons a uma boa distancia do solo, como pedidos de socorro de alguém perdido numa floresta.– Dois trens de pouso orientados por sonar, possibilitam um pouso seguro.

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Entradado ar

Bateria fixa

Bateria móvel

Bomba centrífuga

CPU

Central deEnergia elétrica Motor Elétrico

Cilindro deAr comprimido

Bocalhorizontal

BocalVertical

MotorAuxiliar

5- FUNCÕES DOS BOCAIS E BICOS DE AR COMPRIMIDO

– Os bocais de saida do ar comprimido, que parecem turbinas, têm esse formato com o intuito do ar comprimir-se ainda mais neste receptáculo oval, e assim dar mais força no empuxo para elevar a nave, tanto para as quatro turbinas verticais, como também para as duas turbinas horizontais (11).

- Bicos de ar comprimido- Em certas situações em que a nave tem de pairar no ar, e haja necessidade de se movimentá-la

lentamente, para frente ou para trás, ou lateralmente, ou girar para o lado esquerdo ou direito, é aí que entram em ação os bicos de ar comprimidos,que podem girar em todas as direções.

Também na opção do drone sem as asas, estes bicos de ar comprimido cumprirão a função de auxiliar na estabilidade da nave, bem como a de direcioná-la, conforme descrição abaixo:

Os bicos de ar comprimidos (14), dois estão localizados em cada lado da nave, giram conforme comando emitido pela Cpu. Os bicos estão assentados num suporte ligado à carcaça da nave, e este, por sua vez, conecta-se com um receptáculo esférico oco, onde o ar comprimido chega.

No exemplo da figura acima, com os bicos de um lado da nave voltados para trás, do outro lado voltados para frente, fará a nave girar no sentido oposto do empuxo dos bicos. Outras manobras

- Se todos os bicos estiverem voltados para a frente, fará a nave recuar.- Se todos os bicos estiver voltados para trás, a nave avançará.- Se o mesmo ocorrer com os bicos direcionados lateralmente, a nave se deslocará também no sentido oposto. Esta manobra em drones ou qualquer nave é inédita.

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6- ACESSOS AO INTERIOR DO DRONE

- O drone conta conta com quatro acessos ao seu interior, que possibilitam executar certas operações como vistoria, abastecimento, programação e transporte.

- Tampa (02) da boca de entrada de ar da bomba centrífuga, que por sua vez tem seu inicio no topo superior da carcaça.Possui vários orifícios, para permitir passagem do ar sugado pela bomba centrífuga.

– Porta (17) do bagageiro do drone, localizado na parte traseira. Um espaço muito útil no bagageiro para transportar pequenos objetos, como amostras, documentos, aparelhos eletrônicos de pequeno porte e até kits de primeiros socorros e alimentos de emergência.

–Porta lateral (18) para acesso ao computador da nave.

- Porta lateral (19)do acesso ás baterias- Além de possibilitar retirar rapidamente a bateria removível, também pode-se carregar a bateria fixa numa tomada comum, pois há um carregador de baterias incorporado.

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7- PRINCIPAIS CONJUNTOS DE SISTEMAS

O drone funciona com energia elétrica e ar comprimido. Mas importante também é o sistema computadorizado. Logo, todos os componentes devem ser ligados para funcionarem.– Assim, são três os principais

conjuntos para o funcionamento do drone.

* 1- Painel Digital- Composta pela Cpu e monitor, que pode ser também um tablet, é responsável pelo controle de todos os componentes do drone, desde o

controle do fluxo de ar comprimido nas turbinas e nos bicos de ar, até no funcionamento dos faróis, camera de vídeo, autofalante e todos os dispositivos.

* 2- Parte elétrica- Formado pelo conjunto de baterias fixa e removível, central de energia e o carregador de baterias.- A partir da central de energia, abastecida pelas baterias, a energia elétrica é distribuida para todos os componentes, como o motor, a Cpu e todos os dispositivos.

* 3- Ar Comprimido- O motor elétrico aciona a bomba centrífuga, que suga o ar pela boca voltada para cima, conduzindo-o para o cilindro, onde vai ser comprimido e assim, pronto para ser usado.

- Para reforçar a pressão no cilindro de ar comprimido, um motor auxiliar acha-se num ponto na saida do ar comprimido da bomba centrífuga. Este aciona hélices helicoidais, que contribuem para aumentar ainda mais a pressão do ar que entra no cilindro.

Tubulações e fios. Todos estes três conjuntos acham-se ligados por tubulações e fios, com suas respectivas conexões, não presentes no desenho, pois estas ligações são apenas representativas, já que não foram dimensionadas.

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8- DIRIGIBILIDADE DO DRONE

O conjunto de asas do drone, dianteiro e traseiro, além de conferir estabilidade no vôo, apresenta uma sugestão em sua dirigibilidade.

Ao invéz dos flaps tradicionais dos aviões, que o fazem mudar de direção, quer para subir ou descer, virar à esquerda ou direita, neste projeto a proposta é:

– Nas extremidades das asas dianteiras e traseiras, há uma parte móvel, que gira para cima ou para baixo, responsável pela manobra de subir ou descer.

– Parte superior do leme da cauda é móvel, o que faz a nave virar á direita ou esquerda.

Nesta imagem, a nave têm as extremidades das asas dianteiras e traseiras viradas para cima, o que faz o drone descer, e o leme giratório virado para à esquerda, o que a faz virar para à direita. Nestas manobras, o drone está descendo e ao mesmo tempo virando para à direita.

9- CONSIDERAÇÕES FINAISCertamente que haverá contestações, de que o peso de todo este conjunto, além da propria

estrutura e carcaça do drone, mais equipamentos, este nem conseguirá sair do chão.Realmente, se simplesmente fazer a montagem com base nos equipamentos existentes,

sequer o aparelho sairá do chão.As referências que fiz de um motor elétrico de uma bicicleta, bomba centrífuga, etc, foram

para fazer os desenhos em 3D.É porisso que todos os equipamentos têm de ser projetados específicamente para este

projeto, desde o motor, a bomba centrífuga, o cilindro de ar comprimido, a central de energia, utilizando os materiais mais leves e resistentes possíveis, por exemplo, fibras de carbono.

Certamente que é muito mais complexo do que parece, pois não representei no desenho muitas peças que fazem parte do projeto, como por exemplo o sistema que faz os bicos de ar comprimido girarem, o dispositivo de controle de ar comprimido, principalmente na entrada e saida do cilindro para manter a pressão constante em seu interior. E muita coisa ainda têm de ser acrescentada.

Em se tratando de um projeto conceitual, concebido por alguém que não tem formação superior, os desenhos em 3D são representações de uma idéia, e portanto, não foram calculados nem dimensionados, e também não incluem conexões específicas para cada função. Por exemplo, na porta do painel digital ou da entrada do compartimento da bateria, não entrei em detalhes quanto ao sistema de abertura delas. Assim é com todos os componentes. Apenas acham-se representados, sem entrar em detalhes técnicos.

Esse trabalho ficaria por conta de engenheiros especializados, caso haja empresas que achem viável esse projeto e queira levar adiante.

Originalmente concebi o projeto do drone sem asas, pois o próprio formato discóide constitue-se numa asa única, com bicos de ar comprimido para ajudarem na estabilidade da nave e na execução de manobras.

Depois acrescentei as asas, que certamente dão mais estabilidade ao aparelho, além de proporcionar maior economia, pois numa certa velocidade, apenas ficariam em ação as turbinas horizontais. As asas substituem os bicos de ar comprimido nas manobras durante o vôo. Porém, estes são imprescindíveis nas manobras quando a nave pairar no ar.

Uma opção interessante é acrescentar um sistema de produção de energia elétrica, atravéz das células fotovoltaícas, utilizando painéis flexíveis, aproveitando o formato da nave, que fornecem uma boa área útil para sua instalação, o que aumenta a autonomia de voo .

Numa comparação com os drones existentes, além de fazer tudo que este faz, como alçar vôo verticalmente, ser controlado remotamente via GPS e todas as manobras que faz, e outras coisas, a proposta deste projeto deste drone vai mais além.

– Eleva-se como um helicóptero, mas voa com um avião. Isso faz como que tenha maior velocidade do que qualquer drone do tipo quadricóptero.

– Maior autonomia de vôo, devido ao seu design e incorporação de sistema de produção de energia própria por painéis fotovoltaicos e seu sistema propulsor.

– Manobras rápidas e eficientes, devido aos bicos de ar comprimidos nas laterais do aparelho, na condição de pairar no ar. Tem a manobra inédita de avançar e recuar lateralmente

– Um visual mais limpo e despojado, sem aquelas hélices assustadoras girando quando um drone se aproxima de alguém.

Espero que especialistas analisem este projeto conceitual, e que cheguem na conclusão de sua viabilidade.

Autor do projeto: Issamu AonoSite: http://www.thingiverse.com/Isarts3d/designsData: 8/04/2014Local: Japan