Por Lauren Nagel
No mundo dos drones, UAVs e aeronaves eVTOL, ter uma configuração motor-hélice otimizada não só permite que a sua aeronave voe, como também que tenha um desempenho ideal.
Os dados dos fabricantes podem dar-lhe uma ideia de que motores e hélices funcionarão no seu projeto, mas os testes não são padronizados, pelo que é impossível comparar peças de diferentes fabricantes.
Aqui estão algumas formas como um banco de ensaio pode ajudá-lo a melhorar o desempenho do drone:
Aumentar o seu tempo de voo
Um dos principais motivos para testar os seus motores e hélices é aumentar o tempo de voo do seu drone. Aumentar o tempo de voo do seu veículo permitirá filmar vídeos mais longos, recolher mais dados, manter o contacto visual com um alvo e voar mais longe com uma única carga. Testes e modificações simples podem acrescentar minutos preciosos ao seu tempo de voo, dando-lhe uma vantagem competitiva sobre os concorrentes. Um excelente exemplo vem de dois estudantes de mestrado em engenharia mecânica da Universidade de Ottawa, que conseguiram mais do que duplicar o tempo de voo do seudrone helicóptero de reconhecimento ao testar várias combinações de motor e hélice.
Ao longo do processo de teste, os estudantes conseguiram determinar que componentes elétricos mais leves teriam um desempenho igualmente bom e encontraram um motor mais eficiente do que o que estavam a utilizar anteriormente. O resultado foi que aumentaram o tempo de voo do seu helicóptero de 3 minutos para 7 minutos sem comprometer o ruído ou a carga útil (e tiveram a ideia de criar uma excelente empresa aeroespacial). Este exemplo mostra que o tempo de voo pode ser melhorado através de modificações básicas no seu projeto centradas no aumento da eficiência.
Leitura adicional: Como aumentar o tempo de voo do seu drone
Aumentar a sua carga útil
Muitas aplicações emergentes de drones exigem que os veículos transportem todos os tipos de cargas úteis por mais tempo e a maiores distâncias do que nunca. Satisfazer as exigências de capacidade de carga útil requer frequentemente testar vários motores e hélices, mas o investimento inicial quase sempre compensará devido ao desempenho melhorado do seu UAV. Maximizar a capacidade de carga útil de um drone é importante para indústrias como o projeto de eVTOL, transporte e entrega, videografia, transporte de carga, transporte de pessoas e muito mais.
Os drones de lazer frequentemente têm uma carga útil de até 2 kg, enquanto os drones da categoria de «grande capacidade de carga» podem transportar centenas de quilogramas de carga. Independentemente das suas necessidades de carga útil, testar várias configurações de motor/hélice pode garantir que está a obter o máximo valor pelo seu dinheiro. A SkyDrive, uma empresa aeroespacial sediada em Tóquio, utiliza tais testes para otimizar a geometria, o tamanho e os componentes dos seus drones. Mais recentemente, conseguiram construir um drone de grande capacidade de carga capaz de voar durante 15 minutos com uma carga útil de 30 kg. O seu produto final, «CargoDrone», contém 4 rotores coaxiais, totalizando 8 hélices e motores.
Aumentar o seu alcance
Antenas e extensores de alcance melhorados aumentaram significativamente a nossa capacidade de voar UAVs em território inexplorado. O fator limitante já não é a distância a que podemos comunicar com o drone, mas sim o tempo que o veículo pode permanecer no ar com uma única carga. Testar o sistema de propulsão de um drone pode ajudar a aumentar o seu alcance ao maximizar a eficiência do sistema de propulsão, contribuindo para um tempo de voo mais longo. Isto é especialmente importante ao realizar missões em terrenos inacessíveis ou sobre a água.
Se um drone não conseguir reunir energia suficiente para a viagem de regresso, poderá ser perdido por completo. Projetos ambiciosos de videografia e voos de reconhecimento exigem a garantia de que o veículo e as filmagens recolhidas não serão perdidos. Com esta garantia, filmagens fantásticas podem ser recolhidas com confiança, como este deslumbrante tour pelo Matterhorn nos Alpes Suíços. Testar e otimizar o seu sistema de propulsão pode tornar estes voos possíveis, com o benefício adicional de saber exatamente o que esperar do seu UAV.
Verificar os seus níveis de ruído
Embora muitos aguardem ansiosamente pelo futuro dos drones e aeronaves eVTOL, uma das maiores preocupações da sociedade continua a ser o aumento dos níveis de ruído e o seu impacto no ambiente. Com o potencial de drones voarem por cima de nós para entregar encomendas, inspecionar edifícios e levar pessoas ao trabalho, esta é uma preocupação justa e válida. Para muitas aplicações de drones, a quantidade de som produzida será um fator importante na decisão de os utilizar ou não. Isto é verdade não só para aplicações quotidianas, mas especialmente para operações de vigilância e reconhecimento que exigem silêncio. Testar o sistema de propulsão do seu drone permite-lhe antecipar os níveis de ruído produzidos e resolver quaisquer problemas antes de realizar o primeiro voo. Esta informação pode, em última análise, levar a uma solução UAV mais eficaz e competitiva.
Um exemplo inspirador desta tecnologia em ação é no monitoramento e esforços de conservação da vida selvagem. O programa «SnotBot» da Ocean Alliance utiliza drones de consumo modificados para recolher amostras orgânicas de baleias, a fim de compreender melhor a saúde da população. Os drones utilizados nestas expedições são excecionalmente silenciosos para não perturbar nem assustar as baleias, um requisito primordial para a sustentabilidade da sua investigação. Os motores e hélices produzem a maioria do ruído num UAV, pelo que testar e comparar motores e hélices é a melhor forma de conceber a versão mais silenciosa do seu projeto.
Reduzir a vibração
Todos os sistemas de propulsão geram algum grau de vibração, mas uma reverberação excessiva pode causar danos nos seus componentes e é geralmente indicativa de falta de eficiência. Realizar um teste de vibração para o seu sistema de propulsão é uma excelente forma de equilibrar a sua hélice, detetar ineficiências e otimizar o seu projeto. Ao fazê-lo, provavelmente notará que as peças duram mais e obtém mais desempenho com uma única carga de bateria.
Reduzir a vibração é especialmente importante no mundo da videografia com drones, onde a vibração pode causar vídeos tremidos ou desfocados, sintomas do efeito jello. Estabilizadores e edição pós-produção podem melhorar a qualidade dos seus vídeos, mas reduzir a quantidade de vibração com que está a lidar em primeiro lugar pode poupar tempo e dinheiro. Alcançar voos e vídeos mais suaves pode ser facilmente conseguido com um pouco de teste.
Aumentar a fiabilidade
Há um grande incentivo para aumentar a fiabilidade na indústria dos drones, uma vez que a taxa de falhas dos drones é cerca de duas ordens de magnitude superior à observada na aviação comercial. Para que os UAVs assumam funções atualmente ocupadas por aeronaves tripuladas, a sua fiabilidade, ou tempo médio entre falhas (MTBF), deve aumentar. Testar o seu sistema de propulsão pode ajudar a prevenir e prever falhas, uma vez que os dados podem fornecer informações sobre o estado dos seus componentes.
Realizar, por exemplo, uma avaliação de Fiabilidade, Disponibilidade, Manutenibilidade e Segurança (RAMS) é uma excelente forma de provar a fiabilidade do nosso drone, uma vez que é um teste reconhecido pela indústria que os consumidores reconhecem e confiam. Depois de um sistema ter sido otimizado, os dados dos testes de fiabilidade podem ser um recurso útil para consulta ou até mesmo publicados como parte de uma estratégia de marketing.
Prevenir o gelo em voo
Testar os seus motores e hélices pode ajudar a compreender como os fatores ambientais afetam o seu drone, como o risco e o impacto do gelo em voo. O gelo em voo ou «gelo atmosférico» pode ser um grande obstáculo às operações de drones, uma vez que o acumular de gelo altera as propriedades aerodinâmicas da aeronave. O acumular de gelo resulta em aumento de peso e arrasto, levando à perda de sustentação e, assim, inibindo as capacidades de voo do seu drone. Os experiências em túnel de vento da NRC também demonstraram como a temperatura e o tipo de hélice impactam o acumular de gelo, e que o binário aumenta linearmente com o tempo de exposição a condições de gelo. A resistência a baixas temperaturas é fundamental para drones que operam em climas frios, grandes altitudes e em condições meteorológicas desafiantes.
Saber como um drone responde a baixas temperaturas pode ajudar a projetá-lo adequadamente e determinar se as suas operações requerem um investimento adicional em produtos descongelantes. A UBIQ Aerospace, líder mundial em tecnologia descongelante, estuda os padrões e efeitos do acumular de gelo nos UAVs ao testar a aerodinâmica das hélices em experiências em túnel de vento. Os seus testes permitiram-lhes aperfeiçoar a sua tecnologia D•ICE, que mitiga o acumular de gelo para UAVs de asa fixa. Para quaisquer operações de drones em tempo frio, os testes de hélices podem ser uma fonte de informação inestimável para antecipar o desempenho.
Leitura adicional: Que condições causam o gelo nos drones
Manutenção preventiva
Uma das melhores formas de poupar tempo e dinheiro na manutenção de drones, e de qualquer veículo, aliás, é reparar o desgaste antes que se torne um problema. É infinitamente melhor investir em peças de substituição do que ter de substituir um drone inteiro devido a uma falha fatal.
Testar os seus motores e hélices é uma parte importante deste protocolo, uma vez que os danos nem sempre são evidentes. A erosão ligeira causada por danos de água ou detritos pode afetar a eficiência do motor, limitando assim o desempenho do drone. As hélices também podem ficar desequilibradas com o tempo e apresentar maior vibração, desgastando todo o sistema de propulsão. Testar o seu sistema de propulsão como parte do seu plano de manutenção preventiva pode ajudar a detetar estas ineficiências, resultando num desempenho melhorado do drone e em grandes poupanças de tempo e dinheiro.
Obter diagnósticos
Além da fase de projeto, os dados do motor e da hélice podem ser úteis ao longo da vida útil do seu veículo. Registar diagnósticos em intervalos programados, a cada 50 horas de voo, por exemplo, pode ajudar a monitorizar o desempenho de um drone ao longo do tempo. Tais testes são úteis para detetar desgaste, bem como perdas de eficiência.
Os testes diagnósticos do motor e da hélice também podem fornecer informações sobre o motivo pelo qual um UAV não tem tido um desempenho ideal, ou dar um aviso de que poderá não alcançar o desempenho que está à espera devido a danos imprevistos. Drones que operam em ambientes com alta humidade, altas temperaturas ou poeira e detritos podem desgastar-se mais rapidamente do que o esperado e surpreendê-lo com tempos de voo mais curtos do que o esperado ou um desempenho máximo do acelerador inferior ao esperado. Os testes diagnósticos do sistema de propulsão podem detetar estas fraquezas antes de ocorrer uma falha, prevenindo situações desconfortáveis ou potencialmente perigosas.
Melhorar a segurança
A segurança é talvez a principal preocupação dos investidores e reguladores na indústria dos drones e veículos elétricos. Sem garantias certas, os veículos aéreos não terão permissão para entrar no mercado e cumprir o seu propósito. Alcançar um projeto mais seguro pode ser feito de forma relativamente simples através do teste dos componentes do sistema, especialmente dos motores e hélices que realizam milhares de rotações por minuto.
Compreender melhor estes elementos pode ajudar a prevenir o sobreaquecimento, a falha do motor, a perda de energia e muito mais, prevenindo assim acidentes e lesões. À medida que os nossos céus ficam cada vez mais povoados por veículos aéreos, os cidadãos devem sentir confiança de que estes funcionarão conforme prescrito, sem representar qualquer ameaça às atividades humanas. Os testes de segurança podem aumentar significativamente a credibilidade dos veículos individuais e da indústria como um todo, garantindo o desempenho e promovendo a tranquilidade dos investidores, funcionários públicos e do público em geral.
Obter certificação
É necessária uma autorização especial para muitas operações comuns de drones, sob a forma de uma dispensa ou isenção de uma autoridade reguladora. Nos EUA, por exemplo, é necessária uma dispensa para qualquer operação não incluída na Parte 107 das Regras para Pequenos UAS da FAA. A lista de operações que requerem uma dispensa inclui voar à noite, além da linha de visão (BVLOS), sobre pessoas, a mais de 400 pés acima do nível do solo (AGL) ou a mais de 100 milhas por hora. Esta lista naturalmente sobrepõe-se com as atividades de muitas operações de drones de lazer e comerciais.
Obter uma dispensa depende em grande parte da capacidade do requerente de convencer a FAA de que a sua operação é segura, e testes extensivos do sistema de propulsão de um UAV são uma parte importante da avaliação de um veículo seguro. Realizar e demonstrar a replicabilidade dos testes de propulsão pode apoiar grandemente um pedido de dispensa, ao mesmo tempo que fornece ao projetista informações valiosas. Embora as regulamentações variem em todo o mundo, muitos projetistas considerarão os dados de propulsão úteis ou obrigatórios para as certificações de drones em todo o mundo.
Melhorar o projeto da estrutura
Melhorar a eficiência de um drone é um processo circular que começa com certas suposições. Estas suposições podem incluir o peso total do drone e o peso de componentes individuais, bem como o seu uso pretendido. Depois de feitas estas suposições iniciais, os testes de propulsão podem ajudar a determinar se o seu projeto irá satisfazer os requisitos para a finalidade proposta. Para drones de corrida, pode determinar se o seu projeto irá satisfazer os requisitos de velocidade ou, para um drone de entrega, se irá atingir os tempos mínimos de voo.
A melhor parte é que, se o seu projeto inicial não satisfizer as suas necessidades, pode substituir os motores e hélices por novos para encontrar uma configuração ideal. Depois de encontrar a configuração ideal do seu conjunto de propulsão, também pode experimentar novas baterias ou modificar a sua estrutura. As suposições iniciais orientam o processo de otimização, mas depois de concluir uma ronda de revisão, pode tomar decisões informadas sobre outras modificações no seu projeto.
Leitura adicional: Cálculos e suposições de projeto de drones
Garantia de qualidade
Os testes de propulsão podem reforçar e legitimar a garantia de qualidade oferecida a potenciais investidores e clientes. Sustentar uma proposta de marketing com dados de desempenho rigorosos é uma excelente forma de aumentar a confiança no seu produto e dar à sua equipa de vendas uma vantagem competitiva. Além das vendas, testar os seus motores e hélices pode fornecer informações valiosas para fichas técnicas e permitir que os projetistas fiquem tranquilos sabendo que os veículos irão desempenhar-se conforme anunciado.
Os testes de propulsão também permitirão padronizar ainda mais os produtos, garantindo que cada unidade tenha um desempenho igual. Isto traduz-se em menos tempo gasto em pedidos de apoio ao cliente, uma vez que o nível adicional de segurança garantirá um menor número de produtos defeituosos a sair da instalação. Quer a sua operação seja grande ou pequena, testar motores e hélices é uma excelente forma de legitimar a sua garantia de qualidade e garantir a consistência entre os produtos.
Estudo da resposta do acelerador
É muitas vezes necessário perceber com que rapidez um sistema de propulsão pode reagir a uma alteração na entrada de controlo. Os dados de tais testes fornecem informações sobre a rapidez com que o UAV pode reagir a perturbações como rajadas de vento. Uma forma típica de testar fisicamente a reatividade de um sistema de propulsão é submetê-lo a um sinal de controlo de varredura de frequência. Uma varredura de frequência é um sinal senoidal cuja frequência é constantemente variada para cobrir todo o espectro de frequências a serem testadas. Com os dados recolhidos, o projetista do UAV pode determinar com que rapidez o sistema de propulsão pode reagir a alterações repentinas no acelerador.
Outro método para perceber o tempo de reação de um conjunto de propulsão é submetê-lo a uma entrada em degrau. Enquanto os dados são registados em alta velocidade, é aplicada uma alteração repentina no acelerador. Após algum tempo, a hélice estabiliza-se numa nova velocidade de rotação. O tempo que demora a estabilizar a velocidade é conhecido como tempo de assentamento. Finalmente, um teste proporcional integral derivativo (PID) pode medir a consistência do seu sistema de propulsão ao longo de um período de tempo prolongado, comandando um impulso consistente e direcionado. Estes testes podem ser realizados utilizando um dinamómetro com capacidades de programação suficientes, permitindo uma compreensão completa da resposta do acelerador de um UAV.
Aprender com a replicação de voo
Os testes de propulsão podem contribuir para uma replicação de voo mais simples e eficiente para aplicações como agricultura, levantamentos, investigação e muito mais. A capacidade de registar voos utilizando equipamento de testes de propulsão permite aos projetistas planear e guardar uma rota automaticamente, e depois reproduzir os dados do acelerador posteriormente. Sem sequer sair do laboratório, os projetistas podem otimizar o seu plano de voo com base nos dados recolhidos sobre o desempenho do motor e da hélice. As aplicações agrícolas da tecnologia UAV autónoma baseiam-se frequentemente no princípio da eficiência, minimizando o trabalho e os custos de insumos, com o benefício adicional de proteger a saúde humana.
O drone agrícola da Airboard Agro é um excelente exemplo, pois pulveriza culturas em rotas pré-programadas em terrenos desafiantes, realizando o trabalho laborioso e repetitivo anteriormente realizado por humanos. Para realmente colher os benefícios desta tecnologia, os drones devem ser otimizados para a tarefa específica que irão realizar, tendo em conta a velocidade, o impulso e a estabilidade necessários. Os testes de propulsão são um excelente recurso para melhorar estas replicações de voo e garantir que os UAVs atingirão a sua máxima eficiência em missões autónomas.
Prevenir o sobreaquecimento e falhas térmicas
Uma das causas mais comuns de falha de um drone é o sobreaquecimento do motor, levando à sua avaria. As classificações máximas de temperatura e tensão são muitas vezes fornecidas com os motores elétricos, mas pode não ser claro quando o seu motor se aproxima destes limites. Além disso, apesar do facto de o arrefecimento do motor depender da corrente, as classificações de corrente não são padronizadas na indústria. Uma forma de testar os limites de um motor é medir a sua temperatura em vários intervalos de velocidade utilizando sondas térmicas, uma estratégia útil para evitar falhas.
Na Universidade de Kent State, em Ohio, o laboratório do Dr. Blake Stringer está a realizar tais testes térmicos com motores elétricos para investigar as suas propriedades térmicas e analisar a gestão de motores eVTOL sUAS em condições de alta potência. Este vídeo produzido no laboratório deles mostra as infelizes consequências do embalo térmico, resultando no sobreaquecimento e destruição do motor. Estes estudos são cada vez mais importantes à medida que as operações de drones se tornam mais longas e se deslocam para climas mais severos e quentes. Testar os motores no início do processo de projeto pode prevenir o sobreaquecimento e, em última análise, poupar o custo de os substituir.
Leitura adicional: Como automatizar testes de propulsão para o seu drone
Conclusão
Esperamos que este artigo tenha demonstrado a multitude de benefícios que advêm dos testes ao sistema de propulsão do seu drone. Oferecemos várias ferramentas que podem realizar estas funções de teste e ajudá-lo a levar o seu projeto ao próximo nível:
- Series 1585 - mede até 5 kgf de impulso / 2 Nm de binário
- Flight Stand 15 - mede até 15 kgf de impulso / 8 Nm de binário
- Flight Stand 50 - mede até 50 kgf de impulso / 30 Nm de binário
- Flight Stand 150 - mede até 150 kgf de impulso / 150 Nm de binário
- Flight Stand 500 - mede até 500 kgf de impulso / 1500 Nm de binário
- Windshapers - túneis de vento ao ar livre para testes de voo livre
Os nossos suportes de teste medem impulso, binário, RPM, corrente, tensão, potência mecânica, potência elétrica, eficiência do motor, eficiência da hélice e eficiência geral. Visite a nossa loja online para adquirir o seu ou contacte a nossa equipa de vendas para obter um orçamento dos nossos equipamentos maiores.