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Projeto conceptual de uma aeronave pequena de baixo custo para aplicação em controlo cooperativo

Silva, Rafael · 2020

Abstract

Tendo como objetivo principal a busca por uma estrutura capaz de satisfazer as necessidades previstas para o desenvolvimento do controlo cooperativo, integrado no plano de Investigação e Desenvolvimento do Centro de Investigação da Academia da Força Aérea, encontra-se na presente dissertação um modelo de aeronave proposto e validado. Após serem salientados os requisitos essenciais ao sistema de controlo cooperativo, é apresentado um tipo de arquitetura do qual se destacam os sistemas de voo associados à mesma. Deste modo, após dimensionar o corpo onde estarão presentes os sistemas, opta-se por um design estrutural de asa voadora, em espuma, com uma caixa central fabricada através de manufatura aditiva. Através de uma comparação com outros modelos idênticos e métodos analíticos para valores de carga alar e power loading, desenvolve-se um modelo computacional da aeronave final, justificando os perfis alares a utilizar na sua elaboração. O modelo final desenvolvido é caraterizado por um design de asa voadora, com peso à descolagem de 1,2 kg e uma envergadura de 1 m. Este modelo é validado através de uma ferramenta computacional, executando-se uma caraterização aerodinâmica e uma análise de estabilidade. Posteriormente, é desenvolvido um modelo à escala de 1/1,25 para ser utilizado no túnel aerodinâmico. Os dados obtidos são comparados com a simulação computacional, validando a aeronave segundo este método. Finalmente, é desenvolvido um protótipo real do modelo sujeitando-o a ensaios em voo por forma a ser validado através de um método prático. Esta dissertação satisfaz assim a necessidade da estrutura propondo uma aeronave de construção rápida, baixo custo e capaz de responder às necessidades de um controlo cooperativo, validada segundo uma análise teórica, computacional com base no XFLR5, experimental através do túnel aerodinâmico e prática através de ensaios em voo.

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Projeto conceptual de uma aeronave pequena de baixo custo para aplicação em controlo cooperativo

Author: Silva, Rafael
Publisher: Academia da Força Aérea
Year: 2020
Source: https://comum.rcaap.pt/bitstreams/7d293f23-1ee4-412c-ae64-5d89b86f9a49/download
ACADEMIA DA FORÇA AÉREA
P oje o Concep ual de uma Ae ona e Pequena de
Baixo Cus o pa a Aplicações em Con olo Coope a i o
Ra ael Augus o da Cos a Sil a
Aspi an e a O icial - Aluno / Pilo o-A iado 139418-F
Disse ação pa a a ob enção do G au de Mes e em
Ae onáu ica Mili a , Especialidade de Pilo o-A iado
Jú i
P esiden e:
B igadei o-Gene al/EngAe Paulo Alexand e En adas
Sal ada
O ien ado :
Majo /EngAe Luís Filipe da Sil a Félix
Coo ien ado :
Capi ão/EngEl Tiago Miguel Mon ei o de Oli ei a
Vogal:
Majo /EngAe João Ví o Aguia Viei a Cae ano
Sin a, maio de 2020
ACADEMIA DA FORÇA AÉREA
P oje o Concep ual de uma Ae ona e Pequena de
Baixo Cus o pa a Aplicações em Con olo Coope a i o
Ra ael Augus o da Cos a Sil a
Aspi an e a O icial - Aluno / Pilo o-A iado 139418-F
Disse ação pa a a ob enção do G au de Mes e em
Ae onáu ica Mili a , Especialidade de Pilo o-A iado
Jú i
P esiden e:
B igadei o-Gene al/EngAe Paulo Alexand e En adas
Sal ada
O ien ado :
Majo /EngAe Luís Filipe da Sil a Félix
Coo ien ado :
Capi ão/EngEl Tiago Miguel Mon ei o de Oli ei a
Vogal:
Majo /EngAe João Ví o Aguia Viei a Cae ano
Sin a, maio de 2020
“Legacy? Wha is a legacy?
I ’s plan ing seeds in a ga den you ne e ge o see.”
- Hamil on Musical
iii
Ag adecimen os
A ealização e conc e ização des e p oje o oi pa a mim uma e apa supe ada e
não se ia possí el sem um conjun o de en idades e pessoas que me apoia am seja
a a és da disponibilização de meios ma e iais, do seu p óp io empo ou da sua
paciência nas ases mais complicadas. Gos a ia de ag adece :
À Academia da Fo ça Aé ea po me p opo ciona es a opo unidade e os meios
necessá ios pa a o desen ol imen o des a ideia que, de ou a o ma, não passa ia de
uma ideia. A odos os conhecimen os e i ências que me o ma am não só a ní el
p o issional, que me deu a conhece , en e ou as, o sen ido de esponsabilidade mas
ambém a ní el pessoal, o nando-me, a cada dia, melho do que e a no an e io .
Ao meu o ien ado , Majo Engenhei o Ae onáu ico Luís Félix, pelo empo
dedicado a es e p oje o, po odas as ezes que me encaminhou e apoiou com o in ui o
de a ingi o obje i o inal não menosp ezando a esc i a ex ensi a de udo o que
acon ecia em e mos p á icos. Os conhecimen os que me ansmi iu o am ulc ais ao
sucesso des e p oje o e com ce eza le á-los-ei comigo pa a o u u o.
Ao meu coo ien ado , Capi ão Engenhei o Ele o écnico Tiago Oli ei a, que
assim que es e e disponí el se mos ou p on o a ajuda na pa e elé ica do meu
modelo, as suas alências o am essenciais pa a a conc e ização do ensaio em oo
assim como a análise dos dados ob idos do mesmo.
Ao Majo Engenhei o Ae onáu ico João Cae ano pela disponibilidade em
assumi os comandos do modelo nos ensaios em oo.
Ao Capi ão Engenhei o Ele o écnico Gonçalo C uz pelos conhecimen os que
me ansmi iu aquando a ausência, po mo i os p o issionais, do meu coo ien ado . A
sua expe iência e conhecimen o ajuda am-me a o ganiza as ideias que a é en ão
pa eciam espalhadas.
Ao Cen o de In es igação da Academia da Fo ça Aé ea e a odos os que dele
azem pa e salien ando o Sa gen o-Ajudan e OPRDET Paulo Mendes pela sua
incansá el disponibilidade e ajuda na cons ução do modelo de únel e do modelo
inal, assim como os seus conhecimen os p á icos de ae omodelismo.
Ao Tenen e Engenhei o Ae onáu ico Vasco F anco pelos pa ece es e e isões
ei as ao longo de odo o p ocesso, assim como a ajuda na comp eensão de ce os
e mos o a do meu espaço de con o o.

i
Ao Al e es Engenhei o Ae onáu ico Luís Eusébio po odos os conhecimen os
passados em elação à u ilização da Imp esso a 3D e disponibilidade dispos a.
À na a3 po me elemb a em cons an emen e que a ida é pa a se i ida com
mui a mo i ação, po odos os momen os pa ilhados e “engenha ias a mais” que
ajuda am a da um passo em en e.
À minha amília da Fo ça Aé ea, os meus cama adas de Cu so, os DISTINTOS,
a ocês en ego o meu abalho e dedico odo es e p oje o pois é o nosso espí i o,
cons uído desde o p imei o ins an e, que nos ambiciona a chega mais longe, a
coloca as nossos obje i os bem al o, a “Voa Além do Comum dos Mo ais”. Um
ag adecimen o especial aos DEMÓNIOS po pa ilha em comigo o dia-a-dia e aze em
com que udo seja mais simples, que o nosso à on ade, animação e inspi ação nunca
des aneça seja em e a ou no a , mas essencialmen e no a .
À minha amília de sangue, aos meus pais Cla a e Rui e ainda à minha i mã,
Lúcia, po e em, desde semp e, sido o meu apoio, as pessoas que me segui iam po
onde osse, aconselhando com as suas opiniões mas deixando-me escolhe o meu
caminho. Ob igado po se em o meu ampa o, po me ou i em quando p eciso e me
mos a em o ou o lado da moeda, mesmo que es a es eja so e ada em dú idas e
indecisões.
Po im mas não menos impo an e, um ag adecimen o mui o especial à minha
namo ada, Ca a ina Gand a, po se um pila essencial à minha ida e me mos a
odos os dias o que é lu a po aquilo que gos amos e conside amos que ale a pena.
Resumo
Tendo como obje i o p incipal a busca po uma es u u a capaz de sa is aze
as necessidades p e is as pa a o desen ol imen o do con olo coope a i o, in eg ado
no plano de In es igação e Desen ol imen o do Cen o de In es igação da Academia
da Fo ça Aé ea, encon a-se na p esen e disse ação um modelo de ae ona e
p opos o e alidado.
Após se em salien ados os equisi os essenciais ao sis ema de con olo
coope a i o, é ap esen ado um ipo de a qui e u a do qual se des acam os sis emas
de oo associados à mesma. Des e modo, após dimensiona o co po onde es a ão
p esen es os sis emas, op a-se po um design es u u al de asa oado a, em espuma,
com uma caixa cen al ab icada a a és de manu a u a adi i a.
A a és de uma compa ação com ou os modelos idên icos e mé odos
analí icos pa a alo es de ca ga ala e powe loading, desen ol e-se um modelo
compu acional da ae ona e inal, jus i icando os pe is ala es a u iliza na sua
elabo ação. O modelo inal desen ol ido é ca a e izado po um design de asa
oado a, com peso à descolagem de 1,2 kg e uma en e gadu a de 1 m. Es e modelo
é alidado a a és de uma e amen a compu acional, execu ando-se uma
ca a e ização ae odinâmica e uma análise de es abilidade.
Pos e io men e, é desen ol ido um modelo à escala de 1/1,25 pa a se
u ilizado no únel ae odinâmico. Os dados ob idos são compa ados com a simulação
compu acional, alidando a ae ona e segundo es e mé odo.
Finalmen e, é desen ol ido um p o ó ipo eal do modelo sujei ando-o a ensaios
em oo po o ma a se alidado a a és de um mé odo p á ico.
Es a disse ação sa is az assim a necessidade da es u u a p opondo uma
ae ona e de cons ução ápida, baixo cus o e capaz de esponde às necessidades
de um con olo coope a i o, alidada segundo uma análise eó ica, compu acional
com base no XFLR5, expe imen al a a és do únel ae odinâmico e p á ica a a és de
ensaios em oo.
Pala as cha e: asa oado a, con olo coope a i o, design concep ual, únel
ae odinâmico, manu a u a adi i a
i
ii
Abs ac
This pape p esen s a alida ed ai c a s uc u e capable o sa is ying he
demands o swa m obo ics, in eg a ed on he ideas o he In es iga ion and
De elopmen plan o he Po uguese Ai Fo ce Academy Resea ch Cen e.
Once he necessi ies o a swa m obo ics sys em a e p esen ed, associa ed o
a speci ic elec ic s uc u e, he ligh sys ems able o ul il he pu pose a e e ealed.
A e being capable o sizing and modeling he body whe e all hese sys ems
will be alloca ed, he lying wing design is in o de . This wing is made wi h oam on he
majo i y o i s s uc u e, and he main cen al body equi es an addi i e manu ac u ing
p ocess.
Compa ing wi h o he small sized ai c a and analy ic me hods o calcula e he
alues o wing and powe loading, a inal compu a ional model is de eloped jus i ying
he ai oils used on i s design.
The inal p ojec is a lying wing wi h a ake-o weigh o 1,2 kg and a wingspan
o 1 m. I is alida ed h ough a compu e ae odynamic ool analyzing i s beha io
conce ning i s ae odynamics and s abili y.
A e wa ds, a scale model om 1/1,25 is c ea ed in o de o be used on he wind
unnel. Da a om hese es s is compa ed wi h he compu e ae odynamic ool
alida ing he ai c a h oughou his me hod.
Subsequen ly a eal size p o o ype is exposed o ligh es s alida ing once
again he p ojec .
This being said, he inal objec i e is achie ed, sugges ing an ai c a ,
heo e ically alida ed and ein o ced wi h wind unnel and ligh es s, as -cons uc ed,
low budge and able o answe he equi emen s o a swa m obo ics sys em.
Key-wo ds: lying wing, swa m obo ics, concep ual design, ae odynamic
unnel, addi i e manu ac u ing
xi
Figu a 36 - Coe icien e de Momen o de Rolamen o - XFLR5 ....................................................55
Figu a 37 - Modelo com Ele ons a 15º de De lexão ..................................................................56
Figu a 38 - Coe icien e de Momen o de Picada com 20% da Asa como Aile on ........................56
Figu a 39 - Modelo Final em SolidWo ks com Componen es ...................................................57
Figu a 40 - Componen es do Co po Cen al .............................................................................62
Figu a 41 - Imp essão 3D Modelo Ensaiado em Túnel Ae odinâmico .......................................63
Figu a 42 - Co po Cen al Modelo Ensaiado em Túnel Ae odinâmico .......................................63
Figu a 43 - Máquina de Co e do CIAFA ...................................................................................64
Figu a 44 - Fon e de Alimen ação Máquina de Co e ................................................................64
Figu a 45 - Modelo Túnel Ae odinâmico Real s Modulação 3D ...............................................65
Figu a 46 - Modelo Final ...........................................................................................................66
Figu a 47 - Sis ema de Eixos do Túnel Ae odinâmico ...............................................................67
Figu a 48 - Modelo Inse ido no Túnel Ae odinâmico .................................................................68
Figu a 49 - Cen o Fuselado no Túnel Ae odinâmico ................................................................69
Figu a 50 - Bloco e Supo e Túnel Ae odinâmico ......................................................................69
Figu a 51 - Coe icien e de Sus en ação - Túnel Ae odinâmico .................................................71
Figu a 52 - CL s CD- Túnel Ae odinâmico .................................................................................71
Figu a 53 - CL
CD s α - Túnel Ae odinâmico ..................................................................................72
Figu a 54 - Pa âme o CL32
CD s α – Túnel Ae odinâmico ................................................................73
Figu a 55 - Coe icien e de Momen o de Picada - Túnel Ae odinâmico ......................................74
Figu a 56 - Coe icien e de Momen o de Picada Reduzido - Túnel Ae odinâmico ......................75
Figu a 57 - Coe icien e de Momen o de Picada - Túnel Ae odinâmico ......................................76
Figu a 58 - Coe icien e de Momen o de Guinada - Túnel Ae odinâmico ...................................77
Figu a 59 - Coe icien e de Momen o de Rolamen o - Túnel Ae odinâmico ...............................78
Figu a 60 - Plano de Voo ..........................................................................................................82
Figu a 61 - Modelo Final ...........................................................................................................82
Figu a 62 - Modo de Lançamen o do Modelo e Regis o da T aje ó ia do Úl imo Voo ................84
Figu a 63 - Velocidade GPS do Modelo ....................................................................................86
Figu a 64 - Comandos de Th o le ao Longo do Tempo ............................................................87
Figu a 65 - Consumo Acumulado de Co en e de Desca ga da Ba e ia ....................................87
Figu a 66 - Ângulo de Rolamen o do Modelo ............................................................................89
Figu a A-1 - Componen es do Sis ema Elé ico Vis a de Topo e de Re agua da ..................A-3
Figu a B-1 -Componen es do Co po Cen al com Supo es ...................................................B-1

x
Índice de Tabelas
Tabela 1 - Sín ese de Massa e Dimensões dos Equipamen os .............................................. 26
Tabela 2 - Analy ic Hie a chy P ocess ..................................................................................... 32
Tabela 3 - Sín ese Modelos de Re e ência .............................................................................. 36
Tabela 4 - Powe Loading Máxima Velocidade Ho izon al ...................................................... 37
Tabela 5 - Powe Loading Máxima Razão de Subida .............................................................. 38
Tabela 6 - Valo es da Análise em XFLR5 pa a os 4 Pe is Au o Es á eis .............................. 42
Tabela 7 - Valo es de Re e ência do Modelo Final .................................................................. 44
Tabela 8 - Resumo de Análise Ae odinâmica do Modelo em XFLR5 - Sus en ação Fixa ...... 49
Tabela 9 - Resumo de Análise Ae odinâmica do Modelo em XFLR5 - Velocidade Fixa ......... 49
Tabela 10 - Especi icações Modelo Ensaiado em Túnel Ae odinâmico .................................. 61
Tabela 11 - Dados de Imp essão 3D ....................................................................................... 62
Tabela 12 - Sín ese dos Sis emas de Segu ança .................................................................... 81
Tabela 13 - Au onomia da P imei a Ba e ia - P imei o e Segundo Voos ................................. 85
Tabela 14 - Au onomia da Segunda Ba e ia - Te cei o Voo .................................................... 85
Tabela B-1 - Especi icações Imp esso a 3D ..........................................................................B-1
x i
x ii
Lis a de Ab e ia u as
2D
Duas dimensões
3D
T ês dimensões
AC
Cen o Ae odinâmico
AGL
Abo e G ound Le el
AHP
Analy ic Hie a chy P ocess
AR
Aspec Ra io
ASL
Abo e Sea Le el
BEC
Ba e y Elimina o Ci cui
CAD
Compu e Aided Design
CG
Cen o de G a idade
CIAFA
Cen o de In es igação da Academia da Fo ça Aé ea
CNC
Máquinas de Comando Numé ico
EPP
Expanded Polyp opylene
EPS
Expanded Polys y ene
FPV
Fi s Pe son View
GCS
G ound Con ol S a ion
GPS
Global Posi ion Sys em
I&D
In es igação e Desen ol imen o
IMU
Ine ial Measu emen Uni
LiPo
Ly hium Polyme
LOS
Line o Sigh
MAC
Mean Ae odynamic Cho d
MAV
Mic o Ai Vehicle
ME
Ma gem Es á ica
NATO
No h A lan ic T ea y O ganiza ion
NP
Pon o Neu o
PITVANT
P oje o de In es igação e Tecnologia em Veículos Aé eos Não
T ipulados
PLA
Polyac ic Acid
PMB
Powe Managemen Boa d
PPM
Pulse Posi ion Modula ion
x iii
PWM
Pulse Wid h Modula ion
RC
Radio Con olled
RPM
Ro ações Po Minu o
STL
S e eoli og aphy
UAS
Unmanned Ae ial Sys em
UAV
Unmanned Ae ial Vehicle
XPS
Ex uded Polys y ene
xix
Lis a de Símbolos
Símbolos com le as g egas
𝜌𝜌
0
Densidade do a ao ní el médio das águas do ma
𝛼𝛼
Ângulo de a aque
𝜃𝜃
Ângulo de subida
𝜆𝜆
A ilamen o
𝜇𝜇
Viscosidade dinâmica do luido
𝜈𝜈
Viscosidade cinemá ica do luido
𝜌𝜌
Densidade do a
𝜂𝜂
𝑝𝑝
E iciência do hélice
Símbolos com le as omanas
�
𝐿𝐿
𝐷𝐷�𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 Valo de e iciência ae odinâmica máxima
𝑐𝑐
𝑛𝑛
Co da média na secção n
�
𝐿𝐿
𝐷𝐷� E iciência ae odinâmica
𝑥𝑥
𝑛𝑛
Dis ância da co da média ao bo do de a aque
𝑦𝑦�
𝑛𝑛
Posição da co da média ao longo da en e gadu a
𝐶𝐶
𝐷𝐷0
Coe icien e de esis ência pa asi a
𝐶𝐶
𝐷𝐷𝑖𝑖
Coe icien e de esis ência induzida
𝐶𝐶
𝐿𝐿𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚
Coe icien e de sus en ação máximo
𝐶𝐶
𝐷𝐷
Coe icien e de esis ência ae odinâmica
𝐶𝐶
𝑙𝑙
Coe icien e de momen o de olamen o
𝐶𝐶
𝐿𝐿
Coe icien e de sus en ação
𝐶𝐶
𝑚𝑚
Coe icien e de momen o de picada
𝐶𝐶
𝑛𝑛
Coe icien e de momen o de guinada
𝑐𝑐
𝑛𝑛
Co da em n (início da secção)
𝑐𝑐
𝑛𝑛+1
Co da em n+1 ( im da secção)
𝑐𝑐
𝑟𝑟
Co da na aiz da asa
𝑐𝑐
𝑡𝑡
Co da na pon a da asa
𝑐𝑐
Co da média da asa

xx
𝑃𝑃
Po ência ao eio
𝑃𝑃
𝑟𝑟
Po ência necessá ia
𝑆𝑆
𝑛𝑛
Á ea da secção n
𝑇𝑇
𝑟𝑟
Impulso necessá io
𝑉𝑉
𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚
Velocidade máxima
𝑉𝑉
𝑦𝑦
Velocidade de subida
𝑊𝑊
𝑃𝑃 Powe loading
𝑊𝑊
𝑆𝑆 Ca ga ala
𝑋𝑋
𝐶𝐶𝐶𝐶
Dis ância do cen o de g a idade ao bo do de a aque
𝑥𝑥
𝑛𝑛
Dis ância de n (início da secção) ao bo do de a aque
𝑥𝑥
𝑛𝑛+1
Dis ância de n+1 ( im da secção) ao bo do de a aque
𝑋𝑋
𝑁𝑁𝑁𝑁
Dis ância do pon o neu o ao bo do de a aque
𝑦𝑦
𝑛𝑛
Dis ância de n (início da secção) ao cen o ao longo da en e gadu a
𝑦𝑦
𝑛𝑛+1
Dis ância de n+1 ( im da secção) ao cen o ao longo da en e gadu a
𝑏𝑏
En e gadu a da asa
𝐷𝐷
Resis ência ae odinâmica
𝑒𝑒
Fa o de Oswald
𝐿𝐿
Sus en ação
𝑅𝑅
Cons an e do a
𝑅𝑅𝑒𝑒
Núme o de Reynolds
𝑆𝑆
Á ea ala
𝑊𝑊
Peso
𝑘𝑘
Fa o do Coe icien e de Resis ência Induzido pela Sus en ação
1
Capí ulo 1
1 In odução
1.1 Mo i ação
A c escen e impo ância dos Unmanned Ae ial Vehicles (UAV) nos a uais
con ex os ope acionais e a sua, nunca an es is a, a iedade de ambien es possí eis
de se em u ilizados, le a a que seja necessá ia uma con igu ação de baixo cus o e
e icien e des e ipo de meios (Edi e al., 2008).
A u ilização eco en e des es eículos, p incipalmen e de asa ixa ou o a i a,
az com que en usias as cons uam os seus p óp ios modelos, de ido ao ac o da sua
manu a u a ap esen a um cus o in e io à comp a de um sis ema simila , p oduzido
em áb ica. O p ocesso de manu a u a engloba o p oje o do sis ema, es es de
desempenho ae odinâmico e a aliação dos equisi os mecânicos e elé icos que
sa is açam as necessidades do u ilizado . Além disso, eque , ainda, es es em oo
que a aliem o desempenho global do eículo, an o em oo manual1 como em oo
au ónomo2 (Se iawan e al., 2018).
Os sis emas au ónomos de eículos não ipulados êm p o ocado bas an e
in e esse den o de odo o ipo de meios como o espaço, o céu, o ma e a e a, não
sendo exclusi os e podendo a ua en e si, is o que conquis am esul ados posi i os
em abalhos epe i i os, pe igosos e de ob enção de in o mação em ambien es hos is
e emo os (Schoenwald, 2000).
Os eículos au ónomos, não necessi ando de um con olo di e o po pa e de
um se humano, isam sa is aze necessidades ope acionais como de onação de
munição, na egação pa a ob enção de in o mação, econhecimen o mili a , anspo e
de bens, en e ou os (Schoenwald, 2000).
O sis ema de missão coope a i o, ambém denominado de swa m obo ics, é
uma abo dagem ao design de um egime compos o po um g ande núme o de obôs
simples, au ónomos e com con olo descen alizado inspi ada num âmbi o biológico
(Sahin, 2005). Cada um des es elemen os de e oma decisões baseadas nas lei u as
1 Voo con olado po um ope ado .
2 Voo p é-p og amado e con olado pelo pilo o au omá ico.
2
dos senso es e em coo denação com os ou os. Es e ipo de sis ema pode aze
g andes an agens quando compa ado com o con olo adicional (con olo au ónomo
sem in e conexão), al como a lexibilidade, obus ez con a alhas,
complemen a idade e capacidade de expansão ine en e (Sahin, 2005).
O in e esse nes e p og ama po pa e do Cen o de In es igação da Academia
da Fo ça Aé ea (CIAFA) emon a ao P oje o de In es igação e Tecnologia em
Veículos Aé eos Não T ipulados (PITVANT) onde um dos obje i os p opos os se ia o
con olo coope a i o de ae ona es não ipuladas, endo em conside ação a
ealização de uma de e minada missão. Tendo sido um dos obje i os da e cei a ase
do p oje o ap esen ado (Sousa Rod igues, 2009), a u ilidade do con olo coope a i o
man ém-se in e essan e e a ual.
O con olo coope a i o pode se en endido, do pon o de is a mili a , como um
mé odo ino ado de u ilização de á ias pla a o mas, com capacidades he e ogéneas,
que consigam dis ibui a necessidade de senso es, essenciais à missão p e endida,
po odas elas. Es as pla a o mas são, assim, necessa iamen e ba a as e de meno
po e compa a i amen e à u ilização de apenas um eículo pa a oda a missão, não
necessi ando pa a o seu ab ico, da expe iência acumulada de uma indús ia
ae onáu ica (Sousa Rod igues, 2009).
Numa p imei a ase, em que se p e ende desen ol e as es a égias de
coope ação, os equisi os de ca ga máxima da ae ona e em missão são baixos e,
como al, é necessá io desen ol e uma es u u a que enha em conside ação o
sis ema de con olo coope a i o, e que sa is aça os equisi os do con ex o do mundo
a ual, sendo de ácil manu a u a, de baixo cus o e de u ilização comum.
Es e desen ol imen o su ge com uma impo ância i al pa a a condução de
a i idades de In es igação e Desen ol imen o (I&D) do CIAFA na á ea do con olo
coope a i o.
1.2 Obje i os e Me odologia
Numa á ea que se encon a numa e olução cons an e e com bas an e
con eúdo já desen ol ido e disponí el, sem qualque ipo de es ições, es a
disse ação de mes ado p opõe alida um eículo aé eo, c iada a a és de
p ocessos simples, ápidos e não dispendiosos, que sa is aça, em p imei a ins ância,
os equisi os do con olo coope a i o.
3
Es es equisi os passam po e um sis ema cons i uído po um pilo o
au omá ico, um compu ado de bo do e uma pla a o ma de con olo de posição (como
é o caso do Global Posi ion Sys em - GPS). Con udo, p e ê-se, ambém, o
cump imen o de obje i os secundá ios como:
• Cus o eduzido da es u u a;
• Fácil ope ação do modelo, u ilizando pla a o mas in ui i as;
• U ilização de equipamen o mínimo de con olo e comunicação en e o
modelo e a G ound Con ol S a ion (GCS).
A alidação do modelo acon ece não só em e mos eó icos, baseando-se em
dou ina e mos ando um possí el esul ado inal, mas ambém em e mos p á icos,
eco endo a es es em únel ae odinâmico e ensaios em oo.
O modelo é sujei o a es udos compu acionais que comp o am a sua
iabilidade, aquando da sua cons ução. A necessidade de alida o modelo em únel
ae odinâmico c ia a ca ência de um p o ó ipo à escala de 1/1,25, po o ma a pode
se u ilizado nesse mesmo únel. É ainda ab icado um modelo à escala eal com o
in ui o de o subme e a ensaios em oo, analisando os dados e i ados desses mesmo
ensaios.
O p ocesso e mina com a pla a o ma p opos a alidada e com capacidade
pa a se um meio de desen ol imen o do con olo coope a i o pa a o CIAFA.
1.3 Ou line da Disse ação
A p esen e disse ação es á o ganizada em se e capí ulos p incipais, que
dis inguem as se e ases do p oje o e conceção do concei o de ae ona e p opos o ao
sis ema de con olo coope a i o.
Após se ocada a es u u ação e con ex ualização do p oje o, o segundo
capí ulo ap esen a um con ex o eó ico da p oblemá ica salien ando concei os
básicos, essenciais pa a a comp eensão do p oje o, expondo alguns modelos que
o am omados como e e ência e as opções de ma e iais de cons ução iá eis de
se em u ilizados.
Seguidamen e, o e cei o capí ulo mos a, a ní el elé ico, oda a a qui e u a
que sa is az as capacidades necessá ias pa a cump i o obje i o do p oje o,
concluindo com os sis emas essenciais pa a o oo.
O capí ulo qua o, po sua ez, explica o desen ol imen o do p ocesso de
design concep ual da ae ona e, p opondo um modelo inal alidado a a és de
10
(TOPMODEL, 2017). Em oposição aos modelos p e iamen e e e idos, os
componen es ele ónicos des e UAV encon am-se dispe sos ao longo de zonas
especí icas das asas, sendo que, apenas o mo o se localiza na zona on al do co po
cen al (TOPMODEL, 2017).
DATAHawk S anda d
Es e modelo de asa oado a, lançado à mão, em um peso de 2,15 kg e uma
en e gadu a de 1,164 m no seu modelo S anda d (Ques UAV L d, s.d.). É
maio i a iamen e u ilizado pa a mapeamen o de e i ó io, an o na á ea da cons ução,
como no se o de minas (Ques UAV L d, s.d.). Con a com duas ba e ias de 11,1 V e
4000 mAh que alimen am um mo o B ushless de 360 W endo ainda uma á ea ala
de 47 dm2 (Ques UAV L d, s.d.). À semelhança dos ou os modelos, es e UAV
esgua da os seus componen es ele ónicos no co po cen al e o sis ema p opulsi o
encon a-se na e agua da, como se pode iden i ica na Figu a 7.
Figu a 6 - Bulli EVO (Modellbau Lindinge , s.d.)
Figu a 7 - Da aHAWK S anda d (Ques UAV L d, s.d.)

11
Sonicmodell AR. WING
Com uma es u u a em EPP, à semelhança do modelo Pa o Disco, e e o ço
em ib a de ca bono, como se de e a na Figu a 8, es e modelo de asa oado a con a
com uma en e gadu a de 0,9 m e um peso máximo de 0,430 kg (ge p , 2019). É
p opulsionado po um mo o B ushless de 2300 K na e agua da da ae ona e e
alimen ado po uma ba e ia de 4000 mAh, localizada no co po cen al, jun amen e com
os es an es componen es ele ónicos (ge p , 2019). Es e modelo con a com uma
á ea ala de 19 dm2, endo uma co da média de 0,208 m.
Ma e iais e P ocessos de Fab ico
No meio ae onáu ico, a cons ução le e e esis en e é essencial à boa ope ação
das ae ona es. A esis ência necessá ia pa a a cons ução de uma ae ona e é
de e minada pelo seu ipo de missão, is o se impossí el pa a um único eículo aé eo
ope a com as ca a e ís icas necessá ias pa a odo o ipo de missões (U.S.
Depa men o T anspo , 2012).
Exis em á ios ma e iais disponí eis pa a a cons ução de ae ona es de
pequeno po e, como a que se p e ende nes e p oje o. En e os ma e iais possí eis,
des acam-se seis que são compa ados segundo a massa especí ica, mé odos de
manu a u a, manipulação dos mesmos e p eço-base associado.
Expanded Polys y ene - EPS
O Polies i eno é um ma e ial e moplás ico e, como al, podem des aca -se
ca a e ís icas gené icas como a maleabilidade, a esis ência a a iações de
empe a u a e a esis ência a quedas. Den o des a cole ânea de ma e iais, podemos
salien a o Polies i eno Expandido (EPS), comumen e denominado de es e o i e, que,
Figu a 8 - Sonicmodell AR. WING (ge p , 2019)
12
pelo seu mé odo de ab ico, em uma baixa massa especí ica com alo es en e 9 a
25 kg/m3 (Fib osom, 2018). Es e ma e ial pe mi e uma g ande p ecisão e e sa ilidade,
uma ez que di e en es massas especí icas e espessu as possibili am adequa o
ma e ial ao obje i o (Fib osom, 2018).
O EPS pode se abalhado a a és do co e com io quen e, co e mecânico ou
placa moldada (Ti one, 2014). É de e e i que o p imei o mé odo se e ela como o
mais in e essan e, de ido ao ac o de o CIAFA possui os meios necessá ios pa a
abalha o EPS a a és de máquinas de comando numé ico (CNC), de co e de io
quen e ou de maquinação po esado a.
Os alo es de comp a des e ipo de ma e iais, a a és da emp esa So ecnisol,
po exemplo, ão desde os 0,5 aos 16 eu os po me o quad ado, dependendo do
amanho das placas e da espessu a das mesmas (Fib osom, 2018).
Ex uded Polys y ene – XPS
As placas de XPS, ambém denominada de espuma, êm um ele ado a o de
comp essibilidade, is o que as suas células de políme os são 100% echadas, e
conseguem se acilmen e co adas e moldadas às necessidades do u ilizado
(Remak, s.d.). A sua o ma ígida con e e-lhe uma esis ência ele ada à abso ção de
água, bem como boas capacidades ísicas e é micas (Remak, s.d.). Es e ipo de
ma e ial pode e alo es de massa especí ica que a iam en e 28 e 45 kg/m3 (Remak,
s.d.). O cus o des e ma e ial é semelhan e aos alo es ap esen ados pa a o EPS.
Kapa Line
O Kapa Line dis ingue-se dos an e io es pelas suas camadas de olha de ca ão
b anco que cob em a supe ície supe io e in e io da espuma. Es as camadas
p opo cionam um ní el de igidez que con as a com a sua le eza, o nando es e
ma e ial uma opção iá el na c iação de passepa ou , aming e ou o ipo de
abalhos c ia i os (Kohlschein, 2017). Um g ande a o de in e esse nes e ipo de
ma e ial é a sua acilidade de manuseamen o e capacidade com que pode se
abalhado, is o que an o o co e como o edimensionamen o podem se ei os com
u ensílios simples, al como bis u is. O seu p eço a ia, à semelhança dos an e io es,
de aco do com a sua espessu a, po ém, uma placa de 5 mm des e ma e ial pode
13
cus a ce ca de 8 eu os po me o quad ado (AKI, 2020). A sua massa especí ica a ia,
ambém, consoan e a espessu a das placas disponibilizadas e, pa a uma placa de 5
mm, pode á onda o alo de 47 kg/m3 (3A Composi es GmbH, 2011).
Polyac ic Acid - PLA
O políme o PLA4 é cons i uído po moléculas de ácido lá ico, de o igem
biológica e de on es na u ais e eciclá eis. Ap esen a p op iedades químicas, como
a sua conside á el igidez e p ocessabilidade e moplás ica, e p op iedades
biológicas, como a sua biodeg abilidade (Camine o e al., 2019, p. 2). Es e ma e ial é
mui o u ilizado em p ocessos de manu a u a adi i a, ambém denominada de
imp essão a ês dimensões (3D), que consis e na ep odução ísica de um modelo
digi al que pode se c iado a a és de qualque ipo de so wa e de Compu e Aided
Design (CAD) ou a é mesmo a a és de scanne s 3D. Após es e p ocedimen o, o
so wa e de imp essão (como é o caso do Ul imake Cu a 4.4) con e e o ichei o em
á ias camadas, aduzindo-o num documen o de lei u a acessí el pa a a imp esso a
3D (Indus y, 2017).
A u ilização da imp essão 3D demons a e an agens como: o encu amen o
do ciclo de p odução u ilizando poucas e amen as pa a a manu a u a; o ecu so a
menos ma e ial; a edução do empo en e o design e o desen ol imen o do p odu o;
e ainda o aumen o da complexidade e de alhe que, a a és de p ocessos de
manu a u a adicionais, se o nam di íceis ou a é impossí eis de a ingi (dos San os,
2016, p. 3). A massa especí ica do PLA, na maio ia das suas manu a u as, é de 1240
kg/m3 quando se encon a no seu es ado na u al, não es ando mis u ado com ou os
ma e iais como me al ou madei a (Emiliano, 2019).
4 do inglês Polylac ic Acid, é um dos mais comuns bioplás icos u ilizados
a ualmen e, com aplicações p á icas p omisso as desde o ab ico de copos de plás ico
na indús ia alimen a , passando pela indús ia au omó el e endo a é aplicações na
saúde, como é o caso da manu a u a de componen es in eg an es de implan es
médicos (Camine o e al., 2019; Ken Giang, s.d.).
14
Madei a Balsa
A balsa é um ma e ial celula na u al com ácios de igidez/peso e o ça/peso
no á eis e ca a e ís icas de abso ção de ene gia excelen es (Da Sil a & Ky iakides,
2007). Es as qualidades p o êm da sua mic oes u u a, baseada em longas e inas
es u u as celula es (Da Sil a & Ky iakides, 2007). A sua mic oes u u a complexa
con e e a es e ma e ial esul ados de aniso opia em p op iedades mecânicas
segundo as di eções axiais, angenciais e adiais. É, po an o, de e as esis en e na
sua di eção axial. Toda ia, nas di eções angenciais e adiais a sua aqueza é no á el
(Da Sil a & Ky iakides, 2007). A sua massa especí ica média, quando se encon a
seco, é de ce ca de 150 kg/m3 e o seu p eço a ia consoan e a espessu a da placa,
con udo, uma placa de 3 mm pode cus a ce ca de 23 eu os po me o quad ado (AKI,
s.d.; E. Meie , 2015).
Compósi o
São conside ados compósi os odos os ma e iais que oco am na u almen e ou
ei os pelo homem, que sejam cons i uídos po dois ou mais ma e iais com
p op iedades químicas e ísicas signi ica i amen e dis in as, man endo-se sepa ados
numa es u u a única (Hu, 2012). Podem se ca ego izados em dois ipos p incipais,
sendo o p imei o os compósi os es u u ais, com p op iedades mecânicas no á eis e,
o segundo, os compósi os uncionais com dis inção nas p op iedades ísicas,
químicas e ele oquímicas (Hu, 2012). Es e ipo de ma e ial em sido u ilizado numa
g ande a iedade de equipamen os e p odu os, desde na es espaciais a
componen es de ae ona e passando po ma e iais biomédicos e a é mesmo ba e ias
(Hu, 2012).
Os ma e iais compósi os eque em especi icações mui o p óp ias no que oca
ao seu manuseamen o e manu a u a, conside ada algo demo ada, assim como
necessi am de ma e ial que se ap esen a como bas an e dispendioso, em
compa ação com os sup amencionados. Apesa des as alências se encon a em no
CIAFA, es e ma e ial não se ap esen a in e essan e pa a o sucesso des e p oje o,
pelas azões sup aci adas.
15
Capí ulo 3
3 Sis emas de Voo
A qui e u a do Sis ema
Sendo o p opósi o p incipal des e p oje o a elabo ação de uma es u u a que
habili e o es udo do con olo coope a i o, iden i ica-se a necessidade de uma
a qui e u a de sis ema capaz de da espos a a es a p oblemá ica.
Tendo po base o a igo “Design and De elopmen o an Inexpensi e Aqua ic
Swa m Robo ics Sys em” (Cos a e al., 2016), e em conco dância com um dos seus
au o es, oi possí el iden i ica , pa a o sis ema, as seguin es necessidades:
• O sis ema de e e a capacidade de comunica com uma GCS assim
como com ou as ae ona es, pa ilhando in o mações de es ado e, se
aplicá el, de sis emas de senso es ins alados a bo do.
• O sis ema de e se capaz de execu a um oo au ónomo, cump indo
com planos de oo p é-p og amados ou seguindo e e ências de
con olo ge adas em empo eal, como posição, al i ude e elocidade,
p o enien es an o di e amen e da GCS, como de o inas ca egadas a
bo do pa a esse e ei o. As espos as des as o inas dependem dos
dados p o enien es de on es in e nas, comos os senso es de bo do, ou
ex e nas, como é o caso de ou as ae ona es.
• O sis ema de e ainda, po uma ques ão de edundância e necessidade
de con igu ação inicial de oo, habili a o con olo manual da aje ó ia
da ae ona e.
Es es equisi os são, de o ma ge al, comuns às p incipais es bed de con olo
colabo a i o e e enciadas na li e a u a (Kamine e al., 2004; McLain & Bea d, 2004;
Pe ei a e al., 2013; Schmi le e al., 2018).
De o ma a sa is aze es es equisi os oi iden i icada a a qui e u a base desc i a
na Figu a 9, a a és de um diag ama de blocos. No e-se que a a qui e u a p opos a,
apenas iden i ica uma es u u a de componen es base, que cump e com os equisi os
iden i icados, sem impo uma de e minada solução no amewo k de so wa e de
comando e con olo, ou no sis ema de comunicações. Mi ch Campion, P akash
Rangana han e Saleh Fa uque ap esen am no a igo “UAV swa m communica ion and

16
con ol a chi ec u es: a e iew” (2019) uma e isão de alhada de cada uma dessas
soluções em pa icula .
As ês ligações ep esen adas na Figu a 9 demons am as ês di eções de
comunicação com o ex e io que a ae ona e de e possui .
A p imei a ligação habili a o modelo da comunicação en e a GCS e a ae ona e
a a és dos espe i os ádios de eleme ia. Es e unciona a a és de um p o ocolo
MAVLink5, capaci ando, em p imei a ins ância, o en io de in o mações de pa âme os
de oo como a posição ela i a, al i ude, elocidade e localização ia GPS do modelo,
sendo ainda capaz de en ia pa âme os de ene gia ao longo do oo, pa a uma GCS,
de o ma imedia a. No sen ido in e so, pe mi e ao ope ado da GCS en ia comandos
de e e ência pa a o modelo, como planos de oo de inidos, al i udes p e endidas ou
a é posições especí icas no deco e do oo.
A segunda ligação es abelece-se, a a és de uma equência ádio, en e o
con olo emo o, p é-p og amado, e o modelo. A in o mação é en iada di e amen e
pa a o ece o ádio (RC IN) que, a a és de um codi icado Pulse Posi ion Modula ion
(PPM) en ia a in o mação de cada canal pa a o pilo o au omá ico. Es e, po sua ez,
ecebe a in o mação e esponde em con o midade. Es a ligação capaci a um pilo o de
con ola manualmen e a aje ó ia do modelo a pa i de um ádio comando.
A e cei a ligação es abelece-se en e o pilo o au omá ico e o compu ado de
bo do. Es e pe mi e o p ocessamen o de in o mações de senso es de bo do, como é
5 Um p o ocolo de mensagens le e, u ilizado na comunicação com d ones e en e componen es
do mesmo (D onecode P ojec , s.d.).
Figu a 9 - A qui e u a do Sis ema
17
o caso dos senso es in eg ados no pilo o au omá ico ou câma as associadas ao
modelo, p oduzindo uma espos a au omá ica segundo algo i mos p é-de inidos. O
componen e em ques ão pe mi e ainda a comunicação com os ou os modelos a a és
de uma ede sem ios e o en io de comandos pa a o pilo o au omá ico que con ola,
po sua ez, os es an es componen es do modelo.
A a és des as ês ligações, o na-se possí el possui á ias ae ona es, a oa
em simul âneo e a comunica en e si, com capacidade de p ocessamen o su icien e
pa a se em conside adas au ónomas, co espondendo ao obje i o do con olo
coope a i o.
Componen es do Sis ema
Es a secção ap esen a de o ma de alhada os componen es selecionados pa a
a implemen ação da a qui e u a an e io men e desc i a. Na base da seleção dos
componen es expos os de seguida, p ocu ou-se sob e udo conside a a u ilização de
componen es já exis en es em s ock nos labo a ó ios do CIAFA, iden i icando, quando
al o conside ado pe inen e, uma e en ual al e na i a.
Pilo o Au omá ico
O Pixhawk é um p oje o de ha dwa e que p ocu a p o idencia um pilo o
au omá ico com disponibilidade imedia a, ele ada qualidade e baixo cus o, endo sido
c iado pa a in es igações académicas, laze ou comunidades de desen ol imen o
(Au e ion, s.d.).
Um dos modelos ísicos possí el de se u ilizado é o Pixhawk 4, que ap esen a
as dimensões de 44x84x12 mm e uma massa de 15,8 g. Inclui um ece o de GPS
(ublox Neo-M8N GPS/GLONASS ecei e ), um ba óme o (MS5611), dois conjun os
Ine ial Measu emen Uni (IMU), ICM-20689 e BMI055, cons i uídos, cada um, po um
acele óme o iaxial e um gi oscópio de ês eixos, e eque uma ensão elé ica en e
4,75 e 5,25 V (Lo enz Meie , 2018a).
De no a que, de ido ao oco da sua conceção se des ina a in es igações de
ca iz académicas, es e sis ema con a com uma comunidade bas an e desen ol ida e
abe a ao público, o que se e ela pe inen e e ú il pa a o sucesso des e p oje o.
18
Vis o que as dimensões do componen e são um a o c ucial pa a o p esen e
p oje o, o na-se ideal a u ilização do pilo o au omá ico Pixhawk 4 Mini, ap esen ado
na Figu a 10, que con e e a mesma uncionalidade do modelo an e io , di e indo
apenas nas dimensões e cone o es do disposi i o. Es e no o disposi i o pode se
ob ido pelo mesmo p eço e mos a-se como a opção ideal pa a o p oje o e e ido
(Lo enz Meie , 2018b).
Na comp a des e modelo pode se incluído um conjun o de componen es do
mesmo ab ican e como o espe i o módulo GPS e a Powe Managemen Boa d
(PMB).
Na e en ualidade de se que e eduzi o amanho do modelo, pode se ido em
conside ação o Kes el Au opilo , um pilo o au omá ico, a ualmen e ab icado pela
emp esa Lockheed Ma in (Lockheed Ma in Co po a ion, 2017). Es e modelo
consegue i a pa ido do seu amanho eduzido, sem sac i ica , de o ma alguma, as
suas capacidades, in eg ando odos os senso es de oo e in e aces de comunicação
numa pla a o ma ex emamen e pequena, compa á el com o amanho de uma moeda
(Lockheed Ma in Co po a ion, 2017).
Figu a 10 - Pixhawk 4 Mini (PX4 De Team, 2019)
19
Módulo GPS
O módulo GPS p esen e na Figu a 11, associado ao pilo o au omá ico Pixhawk
4 Mini, é o Ubox Neo-M8N e inclui, no seu in e io , o magne óme o IST8310 (Holyb o,
2018).
Compu ado de Bo do
Rela i amen e ao compu ado de bo do a se u ilizado nes e p oje o, podem se
conside ados á ios modelos como o NVIDIA TX2, o Od oid XU4 ou a é o In e l Edison
(D oneblog, 2017). Con udo, a capacidade de p ocessamen o necessá ia pa a o
desen ol imen o do con olo coope a i o, a acilidade de acesso ao componen e e a
u ilização em sis emas semelhan es ao p e endido, como no a igo “Design and
De elopmen o na Inexpensi e Aqua ic Swa m Robo ics Sys em” (Cos a e al., 2016),
le ou à escolha do Raspbe y Pi 3 Model B+.
O Raspbe y Pi é um compu ado de baixo cus o, de dimensões simila es às
de um ca ão de c édi o, que se liga a um moni o ou TV, con olá el com um a o e
eclado comuns. Es e disposi i o pe mi e ap ende a p og ama em linguagens como
Sc a ch e Py hon. Pa a além disso, o Raspbe y Pi em a capacidade de in e agi com
o mundo ex e io , podendo se u ilizado pa a á ios p oje os, desde máquinas de
música, a de e o es de pessoas ou a é es ações me eo ológicas (Raspbe y Pi, s.d.).
Figu a 11 - Módulo GPS
26
In e ligação en e Componen es
As conexões que sa is azem as necessidades do sis ema encon am-se
desc i as no esquema do Anexo A, onde são ap esen ados, ambém, os espe i os
Pin Ou s do pilo o au omá ico, is o se es e o elemen o que unciona como elo de
ligação en e os componen es e e idos. É ainda ap esen ada uma demons ação das
conexões ei as no modelo inal.
Dimensionamen o do Sis ema
A Tabela 1 sin e iza a massa de odos os componen es, o seu consumo quando
aplicá el, o seu cus o e as dimensões dos elemen os cujas p opo ções se ap esen am
como essenciais pa a o dimensionamen o do modelo. A ba e ia conside ada no
desen ol imen o do p oje o oi a Lion Powe , is o se a que se encon a a ualmen e
disponí el no CIAFA.
Tabela 1 - Sín ese de Massa e Dimensões dos Equipamen os
SISTEMA
DIMENSÕES
(MM) MASSA (G) CONSUMO (A) CUSTO (€)
PX4 MINI
(LORENZ MEIER,
2018B)
38x55x15,5 37,8 *
200
GPS
(HOLYBRO, 2018)
50
(diâme o) 31 *
PMB
N/A
36
*
RASPBERRY PI
(RASPBERRY PI,
S.D.)
85x56x17 41 0,95 35
MOTOR + HÉLICE
N/A
78
**
10
VARIADOR
N/A
39
**
13
BATERIA
(GEARBEST, S.D.) 138x37x27 270 N/A 20
SERVO
(NETTIGO, S.D.) N/A 9 0,550 4
RC IN
N/A
7
*
N/A
TELEMETRIA
N/A
29
*
20
Os alo es de consumo ma cados com um as e isco (*) não se encon am
de alhados na bibliog a ia dos espe i os sis emas. Assim sendo, op ou-se como alo

27
de consumo o al des es componen es, suge ido segundo a expe iência adqui ida dos
elemen os do CIAFA, 1 A, como e e ido no pon o 4.6.
O alo de consumo ma cado com dois as e iscos (**) depende das
ca a e ís icas da ae ona e inal. Des e modo, es e alo ai se apenas es imado na
secção 4.6.
Os alo es de cus o ap esen ados esul am de uma média dos alo es
encon ados pa a a comp a des es p odu os on-line.
28
29
Capí ulo 4
4 Design Concep ual
Es e capí ulo e a a o p ocesso de desen ol imen o do modelo, jus i ica as
opções omadas e ap esen a a ae ona e inal jun amen e com a análise dos alo es
compu acionais de ae odinâmica e es abilidade da mesma.
Velocidades Reque idas
Pa a além dos componen es e e idos, conside ou-se ainda, como equisi os
ope acionais, que es a ae ona e ope asse com uma elocidade de c uzei o de 15 m/s
e uma elocidade de pe da abaixo dos 9 m/s. É ainda de e e i que es as
conside ações su gi am de uma análise conjun a de alo es pad ão dos modelos de
e e ência e alguns es es ealizados a a és do p og ama XFLR5, endo po base
modelos como o e e ido no pon o 4.5.2.
Conside ando o p ocesso de cons ução de uma ae ona e um p ocesso
i e a i o, de e-se e em con a que os alo es inais do p oje o podem se al e ados,
po o ma a cump i odos os equisi os do sis ema de con olo coope a i o.
Seleção de Con igu ação
Pa a de e mina o ipo de design es u u al da ae ona e, oi u ilizado o mé odo
Analy ic Hie a chy P ocess (AHP) desen ol ido po Thomas Saa y (2008). O mé odo
em ques ão demons ou-se bem sucedido no design concep ual de ae ona es
(Fe ei a, 2019; F anco, 2018; Mo ei a e al., 2013). Aplicado nes e con ex o, o AHP
p essupõe a compa ação de á ias con igu ações de ae ona es, a a és da a ibuição
de ponde ações a cada pa âme o a aliado. A compa ação é ei a com base num
a ibu o ixo, que se á de e minado consoan e o c i é io em ques ão. Os pa âme os
a aliados, conside ando o p opósi o do p oje o, o am:
Complexidade de Cons ução e Cus o
Conside ando que o p opósi o des e p oje o é um UAV de ápida cons ução e
baixo cus o, a ibuiu-se um peso de 30% a es e pa âme o.
Es ando os pa âme os complexidade de cons ução e cus o in e ligados, numa
elação di e amen e p opo cional, op ou-se pela ag egação dos dois, num único.
30
Tendo em con a os modelos ap esen ados, de e minou-se que a cons ução de uma
única supe ície de sus en ação se ia co ada com o alo de 10 , a cons ução de duas
supe ícies de sus en ação e ia a co ação de 7,5 e a cons ução de ês supe ícies
de sus en ação se ia co ada com 5 . Dis inguiu-se, ainda, o modelo V- ail do
con encional is o que o p imei o é de cons ução mais simples que a con igu ação
con encional e, consequen emen e, meno cus o, oi-lhe a ibuído uma co ação de
8,5.
Massa
Sendo que a massa dos equipamen os pa a o con olo e missão já es á
de inida, é a a iação da massa es u u al que az aumen a ou diminui a massa o al
da ae ona e. Como o obje i o do p oje o p e ê uma ae ona e pequena, é ele an e
op a po soluções le es. Pa a além dis o, é necessá io e em con a que, quan o mais
le e o a es u u a, meno se á o impulso necessá io (𝑇𝑇𝑟𝑟) pa a sus en a a si uação
de oo e a espe i a po ência necessá ia (𝑃𝑃𝑟𝑟). Es a di e ença acon ece,
p incipalmen e, a baixas elocidades (nomeadamen e nas que se enquad am den o
do concei o des e p oje o).
A Figu a 21 mos a que, pa a as mesmas condições de oo, e pa a a mesma
ae ona e, con o me alo es desc i os em Ai plane Da a, a a iação do seu peso,
ep esen ado po W, em lbs, az com que a cu a da po ência necessá ia a ie. Assim,
pa a um peso maio , es a cu a ap esen a alo es mais ele ados de po ência
eque ida. Um exemplo des a di e ença, p ende-se na compa ação do alo mínimo
Figu a 21 - E ei o da Massa em 𝑃𝑃𝑟𝑟 (Hu J ., 1965)
31
de po ência eque ida que, pa a a ae ona e com peso supe io , é maio e oco e a
elocidade supe io .
Foi a ibuído ao c i é io massa uma conside ação de 30% e es abelecido que
odas as es u u as, pa a além da Asa Voado a, se iam co adas de 7,5 e que a
es u u a mais le e, is o é, a Asa Voado a, se ia co ada de 10.
Qualidade de Voo – Es abilidade e Con olo
Es e pa âme o engloba dois ní eis di e en es, mas que se elacionam de o ma
di e amen e p opo cional: a es abilidade e o con olo. Uma ez que não se conside am
ca a e ís icas de ex ema ele ância pa a o sucesso do p oje o, es e pa âme o
ap esen a uma signi icância de 10%.
Nes e pa âme o alo iza-se a es abilidade es á ica e dinâmica e o con olo
independen e pa a cada eixo (p o undidade, p anchamen o e di eção) de cada
con igu ação. Assim sendo, a designs es u u ais que p essupõem con olo
independen e dos ês eixos e mais es á eis, oi a ibuída a co ação de 10 e a designs
com con olo independen e de dois eixos e menos es á eis oi a ibuída uma co ação
de 7,5.
Facilidade de Lançamen o Manual
Uma ez que a ae ona e a desen ol e em como obje i o p incipal in es iga
e desen ol e mé odos de con olo coope a i o, p e ê-se uma u ilização de á ios
modelos idên icos em simul âneo. Des e modo, o seu p ocesso de lançamen o, pa a
além de manual, de e á se simples e ápido. Sendo que es e pa âme o assume,
nes e sen ido, alguma ele ância, oi-lhe a ibuído um peso de 30%.
O c i é io a alia a capacidade da es u u a em con ola a picada e o
p anchamen o, aquando do seu lançamen o. Assim, modelos com o con olo de
p o undidade mui o p óximo do cen o de g a idade (como é o caso da Asa Voado a),
êm meno con olo de picada. Des e modo, o modelo de Asa Voado a assume o alo
de 7, em con apa ida os modelos Con encional e Cana d ap esen am o alo de 10
e os es an es de 8.

32
Tabela 2 - Analy ic Hie a chy P ocess
Pa âme o Peso V-Tail Con encional Cana d
T ês
Supe ícies
Asa
Voado a
Complexidade
de Cons ução e
Cus o
30% 8,50 7,50 7,50 5,00 10,00
Massa 30% 7,50 7,50 7,50 7,50 10,00
Qualidade de
Voo 10% 10,00 10,00 10,00 10,00 7,50
Facilidade de
Lançamen o
Manual
30% 8,00 10,00 10,00 8,00 7,00
To al 100% 8,20 8,50 8,50 7,15 8,85
A Tabela 2 ap esen a uma sín ese do sup amencionado, po o ma a compa a
o alo inal des a a aliação, concluindo assim que o modelo a se u ilizado pa a o
desen ol imen o des e p oje o se á o de Asa Voado a.
Pon o de P oje o
Tendo em conside ação que o design es u u al de asa oado a em apenas
duas supe ícies de con olo, se ão necessá ios dois se o-mo o es pa a e e ua o
con olo do modelo. Assim sendo, e u ilizando os dados desc i os na Tabela 1, a
massa o al dos componen es ele ónicos é de ce ca de 0,6 kg. Conside ando,
segundo p opos a dos elemen os do CIAFA, de i ado da sua expe iência com es e
ipo de modelos, que a es u u a i á assumi a mesma massa, a inge-se o alo de
massa o al da ae ona e de ce ca de 1,2 kg.
33
A es u u a, apesa de simples, e á um co po cen al mais e o çado pa a
ins alação dos componen es ele ónicos, ao qual es a á acoplado o es o da asa
oado a. Assim sendo, pa a e ei os de compa ação com o p opósi o do p oje o, o am
u ilizados apenas os modelos com design es u u al de asa oado a nomeadamen e:
Pa o Disco, AR. Wing, Skywalke X8, Bulli E o e DATAHawk S anda d.
Re o çando alguns equisi os de oo, em-se como elocidade c uzei o 15 m/s,
e como elocidade de pe da 9 m/s. Conside a-se, ambém, o alo de coe icien e de
sus en ação máximo (𝐶𝐶𝐿𝐿 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚) e o alo de coe icien e de esis ência pa asi a (𝐶𝐶𝐷𝐷0) de
0,9 e 0,008 espe i amen e, alo es es es que esul a am de um balanço de á ias
expe iências compu acionais no p og ama XFLR5, como as e e idas nas secções 4.4
e 4.5.2 des a disse ação e po úl imo, um alongamen o (AR6) en e 2,5 e 3,5 pa a
oa a uma al i ude c uzei o de 1000 .
Po o ma a undamen a , eo icamen e, o pon o de desen ol imen o do
p oje o, o am a aliados os pa âme os de ca ga ala e powe loading. Es es
pa âme os o am calculados de o ma analí ica, endo em conside ação os equisi os
do p oje o. No caso da ca ga ala , os alo es ob idos o am compa ados com a média
dos modelos de e e ência pe inen es.
Ca ga Ala Analí ica
A ca ga ala é ob ida a a és da elação en e o peso da ae ona e e a á ea ala
da mesma.
Com o in ui o de espei a os equisi os ope acionais, p ocedeu-se à a aliação
da ca ga ala pa a a elocidade de pe da e a ca ga ala pa a máxima au onomia,
a a és das equações 4.1 e 4.2 (Co da, 2017).
4.3.1.1 Velocidade de Pe da
𝑊𝑊
𝑆𝑆=
1
2𝜌𝜌𝑉𝑉𝑆𝑆2𝐶𝐶𝐿𝐿𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚
(4.1)
6 Do inglês Aspec Ra io.
34
4.3.1.2 Máxima Au onomia
𝑊𝑊
𝑆𝑆=1
2𝜌𝜌𝑉𝑉2�3𝐶𝐶𝐷𝐷0
𝑘𝑘
(4.2)
Sendo:
𝑊𝑊 = peso da ae ona e
𝑆𝑆 = á ea ala
𝜌𝜌 = massa especí ica do a à al i ude de c uzei o
𝑉𝑉𝑆𝑆 = elocidade de pe da
𝑉𝑉 = elocidade c uzei o
Fo am u ilizados, pa a o cálculo da ca ga ala pa a a condição de elocidade
de pe da, os seguin es alo es: massa especí ica do a a uma al i ude de 1000 ,
(304,5 m) de 1,19 kg/m3; elocidade de pe da de 9 m/s e coe icien e de sus en ação
máximo de 0,9. A a és da equação 4.1 ob e e-se o alo de ca ga ala pa a a
elocidade de pe da de ap oximadamen e 43,38 N/m2.
Pa a máxima au onomia conside ou-se, pa a além dos alo es já e e idos, o
alo de k, ob ido a a és da equação 4.3 (Rayme , 1992).
𝑘𝑘=
1
𝜋𝜋𝜋𝜋𝑅𝑅ℯ
(4.3)
𝜋𝜋≈3,1415
𝜋𝜋𝑅𝑅 = alongamen o
ℯ = a o de Oswald
𝜋𝜋𝑅𝑅=
𝑏𝑏2
𝑆𝑆
(4.4)
𝑏𝑏 = en e gadu a da asa
O a o de Oswald pode se es imado a a és da equação 4.5 is o que, apesa
de o modelo se a a de uma asa oado a, es ima-se a u ilização de um ângulo de
en lechamen o de ce ca de 23º (meno que 30º) p e is os segundo a compa ação dos
modelos de e e ência sup amencionados (Böhnke e al., 2011).
ℯ= 1,78 (1−0,045𝜋𝜋𝑅𝑅0,68)−0,64
(4.5)
35
Tendo em conside ação os modelos de e e ência u ilizados, os mais
ap op iados pa a o obje i o do p oje o são os sup amencionados: Bulli E o e
Da aHawk S anda d. Compa a i amen e aos es an es, e pa a um peso p óximo do
p e endido, es es êm uma en e gadu a meno e uma co da maio , esul ando num
alongamen o meno . Des a o ma, a a és de um p ocesso i e a i o, ca a e ís ico de
um p oje o concep ual de ae ona es, e u ilizando as simulações compu acionais
ei as, nes a ase do p oje o oi es imada uma asa com 1 m de en e gadu a e co da
média de 0,4 m. Pa a es a asa, ob ém-se um alongamen o de 2,5, um a o de Oswald
de ap oximadamen e 0,991 (con o me a equação 4.5) e um pa âme o k de 0,129.
Assim, pa a máxima au onomia, o alo de ca ga ala ob ido segundo a equação 4.2
é ap oximadamen e 57,85 N/m2.
Ca ga Ala Modelos de Re e ência
Reco endo às imagens disponí eis dos modelos de e e ência e endo em
conside ação as limi ações e os e os associados a es e mé odo, oi possí el
de e mina a en e gadu a e o comp imen o das co das máxima e mínima de cada
modelo e po conseguin e, a ingi a co da média e calcula a á ea ala segundo as
ó mulas 4.6 e 4.7 (Johnson, 2003). É ainda de e e i que os modelos ap esen am
en lechamen o pelo que a u ilização da segunda ó mula em um e o associado.
𝑐𝑐�=
𝑐𝑐
𝑟𝑟
+ 𝑐𝑐
𝑡𝑡
2
(4.6)
𝑆𝑆=𝑏𝑏 × 𝑐𝑐
(4.7)
Conside ando:
𝑐𝑐 = co da média
𝑐𝑐𝑟𝑟 = co da na aiz da asa
𝑐𝑐𝑡𝑡 = co da na pon a da asa
A a és dos dados ob idos, é possí el calcula o alo de ca ga ala médio dos
modelos de e e ência.
42
• coe icien e de sus en ação ele ado a ês meios sob e coe icien e de
esis ência (𝐶𝐶𝐿𝐿32
𝐶𝐶𝐷𝐷) e sus ângulo de a aque (𝛼𝛼), pa âme o associado à
po ência mínima necessá ia pa a o oo de ní el, com o obje i o de
de e mina o seu alo máximo e espe i o ângulo de a aque.
Na Tabela 6 ap esen am-se os alo es máximos de cada pa âme o, assim
como o espe i o ângulo de a aque.
Tabela 6 - Valo es da Análise em XFLR5 pa a os 4 Pe is Au o Es á eis
Pe is 𝐶𝐶𝐿𝐿 𝑚𝑚𝑎𝑎𝑥𝑥 𝛼𝛼 𝑝𝑝𝑒𝑒𝑟𝑟𝑝𝑝𝑎𝑎 𝐶𝐶𝐿𝐿
𝐶𝐶𝐷𝐷 𝑚𝑚𝑎𝑎𝑥𝑥 𝛼𝛼 𝑝𝑝𝑎𝑎𝑟𝑟𝑎𝑎 𝐶𝐶𝐿𝐿
𝐶𝐶𝐷𝐷 𝑚𝑚𝑎𝑎𝑥𝑥 𝐶𝐶𝐿𝐿
3
2
𝐶𝐶𝐷𝐷 𝑚𝑚𝑎𝑎𝑥𝑥 𝛼𝛼 𝑝𝑝𝑎𝑎𝑟𝑟𝑎𝑎 𝐶𝐶𝐿𝐿
3
2
𝐶𝐶𝐷𝐷 𝑚𝑚𝑎𝑎𝑥𝑥
MH60
1,23
12º
78,39
6º
73,26
8º
MH61
1,01
10º
79,41
6º
68,91
6º
MH62
1,13
11º
75,50
6º
67,38
7º
MH64
1,06
10º
74,80
5º
64,70
7º
A a és da Figu a 23 é possí el deduzi que os pe is ap esen am um
compo amen o bas an e simila a é ao ângulo de a aque de ce ca de 6º, onde se
começam a no a di e enças acen uadas. O pe il MH60 acaba po a ingi alo es de
𝐶𝐶𝐿𝐿 mais ele ados e um ângulo de a aque de pe da (ângulo co esponden e ao 𝐶𝐶𝐿𝐿𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚)
mais ele ado (12º), em compa ação com os ou os pe is.
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
-10 -5 0 5 10 15 20
MH60
MH61
MH62
MH64
𝑪𝑪𝑳𝑳
𝜶𝜶[º]
Figu a 23 - Coe icien e de sus en ação s al a pa a Re=400000 - Pe is Ala es

43
Na Figu a 24 é possí el cons a a que o pe il MH60 comp eende alo es mais
ele ados de e iciência ae odinâmica, du an e um in e alo maio . Apesa da e iciência
ae odinâmica máxima mais ele ada se a ingida pelo pe il MH61, es e não é
ep esen a i o do compo amen o global po pa e des e pe il, uma ez que decai
apidamen e após o pico. Assim, pode dize -se que o pe il MH60 é o que ap esen a,
numa pe spe i a global, maio es alo es de e iciência ae odinâmica �𝐿𝐿𝐷𝐷�.
A Figu a 25 ap esen a o pa âme o 𝐶𝐶𝐿𝐿32
𝐶𝐶𝐷𝐷 associado à po ência necessá ia pa a
oo de ní el. A au onomia máxima de uma ae ona e com sis ema p opulsi o elé ico
a hélice, alimen ado po ba e ias, ob ém-se quando es e pa âme o é máximo
(Heppe le, 2012). É o pe il MH60 que ap esen a no amen e o alo mais ele ado
des e pa âme o, su gindo a 8º de ângulo de a aque.
Figu a 24 - 𝑪𝑪𝑳𝑳
𝑪𝑪𝑫𝑫 s al a pa a Re=400000 - Pe is Ala es
-40
-20
0
20
40
60
80
100
-10 -5 0 5 10 15 20
MH60
MH61
MH62
MH64
𝜶𝜶[º]
𝑪𝑪𝑳𝑳
𝑪𝑪𝑫𝑫
-40
-20
0
20
40
60
80
-10 -5 0 5 10 15 20
MH60
MH61
MH62
MH64
𝑪𝑪𝑳𝑳𝟑𝟑𝟐𝟐
𝑪𝑪𝑫𝑫
𝜶𝜶[º]
Figu a 25 - Pa âme o 𝑪𝑪𝑳𝑳𝟑𝟑𝟐𝟐
𝑪𝑪𝑫𝑫 s al a Re=400000 - Pe is Ala es
44
Po odas es as azões, o pe il a u iliza na conceção des e p oje o se á o
MH60.
O design es u u al da ae ona e p e ê, à semelhança dos modelos
ap esen ados, um co po cen al com os componen es ele ónicos. Des e modo oi
ainda necessá io encon a um pe il ala que osse espesso o su icien e, capaz de
cump i os equisi os de espaço ocupado po es es componen es.
O pe il ado ado oi o NACA 0018, um pe il simé ico e com alo máximo de
espessu a de 18% da co da. Es e pe il su giu po p opos a do CIAFA, is o se um
pe il simé ico e simples.
Modelo Final
Dimensões em XFLR5
Inicialmen e, o modelo oi desenhado e analisado no p og ama XFLR5 com as
especi icações e e idas na Tabela 7. O alo de O se ap esen ado e e e-se à
dis ância da co da da secção ao eixo do bo do de a aque do cen o do modelo.
Tabela 7 - Valo es de Re e ência do Modelo Final
Dis ância ao Cen o (mm)
Co da (mm)
O se (mm)
Pe il Ala
0,0
445
0
NACA 0018
94
425
20
NACA 0018
188
400
58
MH60 10,08%
500
300
248
MH60 10,08%
Es e modelo é cons i uído po 3 secções de cada lado da asa, em que a
p imei a des as cons i ui pa e do co po cen al, a segunda o local de ansição do
pe il ala NACA 0018 pa a o pe il au o es á el, e a e cei a o componen e p incipal
da asa e esponsá el pela o ça de sus en ação, onde se localizam as supe ícies de
con olo.
Assim, o modelo ap esen ado em um AR de 2,65, com á ea ala ap oximada
de 0,38 m2, ao que co esponde um alo de ca ga ala , conside ando a acele ação
g a í ica de 9,81 m/s2, de 30,98 N/m2, como de e minado no Pon o de P oje o.
45
A Figu a 26 mos a o modelo desen ol ido, em que é possí el iden i ica a
a iação de pe is ala es ao longo da asa e a lecha.
O en lechamen o ap esen a-se como um a o essencial pa a o con olo de
p o undidade da ae ona e e pa a a melho ia da sua es abilidade. Nes e caso, op ou-
se po uma lecha de 23º, ob ida de uma ponde ação dos modelos u ilizados como
e e ência. O a ilamen o, con udo, su ge com um p opósi o me amen e es é ico.
Análise em XFLR5 - Ae odinâmica
Numa p imei a abo dagem, o modelo oi simulado pa a condições de
sus en ação ixa (com o peso de inido), com elocidade a iá el, com a iação de
ângulo de a aque en e -5º e 20º, em inc emen os de 1º. A asa oi modelada em
painéis 3D iscosos.
Quan o à análise a a és de painéis 3D, é ainda de e e i que o p og ama se
baseia numa in e polação a 2 dimensões (2D) da esis ência iscosa, a pa i da
sus en ação local da asa, azendo com que a es ima i a de esis ência iscosa seja
in e p e ada, no máximo, como uma o dem de g andeza. Pa a além disso, o modelo
de ansição do egime lamina pa a o u bulen o não con empla e ei os de luxo de a
c uzado, o que p o oca uma subes imação dos alo es de esis ência o al e uma
sob es imação de ou os alo es de desempenho (Depe ois, 2019). Ainda assim, a
a aliação oi ei a po o ma a que o modelo de escoamen o osse o mais p óximo
possí el do eal.
Figu a 26 - Modelo da Ae ona e em XFLR5
46
Nes a p imei a abo dagem, pa a os alo es de elocidade ho izon al (𝑉𝑉) e o ça
necessá ia (𝑇𝑇𝑟𝑟) ap esen a-se a Figu a 27.
Na Figu a 27 pode obse a -se a a iação da o ça necessá ia em unção da
elocidade de oo, sendo que o alo de impulso mínimo necessá io pa a o oo des a
ae ona e co esponde a uma elocidade de ap oximadamen e 15,24 m/s.
Numa segunda ase, oi u ilizado o alo mínimo da ap eciação ei a, a a és
de sus en ação ixa, pa a a simulação em condições de elocidade ixa (15 m/s).
Conside ou-se ambém o peso de inido e a iação de ângulo de a aque, à semelhança
da an e io , en e -5º e 20º, em inc emen os de 1º. Nes a segunda simulação o am
analisados os coe icien es de sus en ação, esis ência e momen o de picada, guinada
e olamen o.
A Figu a 28 mos a a elação en e o coe icien e de sus en ação 𝐶𝐶𝐿𝐿 e o alo de
ângulo de a aque 𝛼𝛼 do modelo eal segundo o p og ama XFLR5. A linha de endência
ep esen ada nes a igu a elaciona os dois pa âme os a a és da equação 𝑦𝑦 =
0,0522𝑥𝑥 + 0,0277. Assim, pode a i ma -se que a axa de a iação do coe icien e de
sus en ação com o ângulo de a aque é de 0,0522.
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
1.60
1.80
0 5 10 15 20 25
𝑻𝑻𝒓𝒓[N]
𝑽𝑽[m/s]
Figu a 27 - Impulso Necessá io - XFLR5
47
O coe icien e de sus en ação máximo é 1,04, oco endo pa a o ângulo de
a aque de 20º. É de salien a que, de ido às limi ações do p og ama XFLR5 em
escoamen os com ângulos de a aque ele ados, nomeadamen e, na iden i icação da
sepa ação do escoamen o, o alo de coe icien e máximo e espe i o ângulo de
a aque são apenas indica i os.
A Figu a 29 mos a a elação en e o coe icien e de esis ência 𝐶𝐶𝐷𝐷 e o
coe icien e de sus en ação 𝐶𝐶𝐿𝐿. O alo mínimo des a elação co esponde a um
coe icien e de esis ência de ap oximadamen e 0,008 (𝐶𝐶𝐷𝐷0).
y = 0.0522x + 0.0277
-0.60
-0.40
-0.20
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
-10 -5 0 5 10 15 20 25
𝑪𝑪𝑳𝑳
𝜶𝜶[º]
Figu a 28 - Coe icien e de Sus en ação - XFLR5
-0.60
-0.40
-0.20
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16
𝑪𝑪𝑳𝑳
𝑪𝑪𝑫𝑫
Figu a 29 - 𝑪𝑪𝑳𝑳 s 𝑪𝑪𝑫𝑫 - XFLR5

48
A Figu a 30, po sua ez, mos a a elação en e a e iciência ae odinâmica 𝐿𝐿𝐷𝐷,
di e amen e p opo cional à elação en e os coe icien es de sus en ação e de
esis ência do modelo, e o seu ângulo de a aque. A e iciência ae odinâmica máxima
oco e a um 𝛼𝛼 de 4º e co esponde a 16,57.
A Figu a 31 ap esen a a elação en e o pa âme o 𝐶𝐶𝐿𝐿32
𝐶𝐶𝐷𝐷 e o ângulo 𝛼𝛼. A a és da
análise des e g á ico é possí el a i ma que o alo de máxima au onomia do modelo
oco e a um ângulo de a aque de 7,5º. Pa a es e ângulo, o 𝐶𝐶𝐿𝐿 equi ale a
ap oximadamen e 0,432.
-20.00
-15.00
-10.00
-5.00
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
-10 -5 0 5 10 15 20 25
𝑪𝑪𝑳𝑳
𝑪𝑪𝑫𝑫
𝜶𝜶[º]
Figu a 30 - E iciência Ae odinâmica - XFLR5
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
9.00
10.00
-5 0 5 10 15 20 25
𝑪𝑪𝑳𝑳𝟑𝟑𝟐𝟐
𝑪𝑪𝑫𝑫
𝜶𝜶[º]
Figu a 31 - Pa âme o 𝑪𝑪𝑳𝑳𝟑𝟑𝟐𝟐
𝑪𝑪𝑫𝑫 s 𝛼𝛼 - XFLR5
49
Em e mos ae odinâmicos, a análise compu acional des e modelo pode se
sin e izada des acando os alo es de in e esse p esen es na Tabela 8 e Tabela 9,
sendo que a p imei a sin e iza a simulação a sus en ação ixa e a segunda a simulação
a elocidade ixa.
Tabela 8 - Resumo de Análise Ae odinâmica do Modelo em XFLR5 - Sus en ação Fixa
𝑇𝑇𝑟𝑟𝑚𝑚𝑠𝑠𝑠𝑠 [N] 𝑉𝑉𝑚𝑚 𝑝𝑝𝑎𝑎𝑟𝑟𝑎𝑎 𝑇𝑇𝑟𝑟 𝑚𝑚𝑠𝑠𝑠𝑠 [m/s]
0,72 15,24
Tabela 9 - Resumo de Análise Ae odinâmica do Modelo em XFLR5 - Velocidade Fixa
𝐶𝐶𝐿𝐿𝑚𝑚𝑎𝑎𝑥𝑥 𝛼𝛼 𝑝𝑝𝑎𝑎𝑟𝑟𝑎𝑎 𝐶𝐶𝐿𝐿 𝑚𝑚𝑎𝑎𝑥𝑥 𝐶𝐶𝐿𝐿
𝐶𝐶𝐷𝐷 𝑚𝑚𝑎𝑎𝑥𝑥 𝛼𝛼 𝑝𝑝𝑎𝑎𝑟𝑟𝑎𝑎 𝐶𝐶𝑙𝑙
𝐶𝐶𝐷𝐷 𝑚𝑚𝑎𝑎𝑥𝑥 𝐶𝐶𝐿𝐿
3
2
𝐶𝐶𝐷𝐷𝑚𝑚𝑎𝑎𝑥𝑥 𝛼𝛼 𝑝𝑝𝑎𝑎𝑟𝑟𝑎𝑎 𝐶𝐶𝐿𝐿
3
2
𝐶𝐶𝐷𝐷𝑚𝑚𝑎𝑎𝑥𝑥 𝐶𝐶𝐷𝐷0
1,04
20º
16,57
4º
9,40
7,5º
0,008
Análise em XFLR5 – Es abilidade
A análise de es abilidade omou em conside ação a localização do pon o
neu o9 (NP), po o ma a se de e minado o cen o de g a idade (CG) do modelo.
No caso de uma asa oado a, o NP é coinciden e com o cen o ae odinâmico
10 (AC) e localiza-se ap oximadamen e a 25% da co da média ae odinâmica11 (MAC),
que é possí el calcula a a és da equação 4.14 (Vogel anz, 2016).
𝑀𝑀𝜋𝜋𝐶𝐶=2
𝑆𝑆�𝑐𝑐2𝑝𝑝𝑦𝑦
𝑏𝑏
2
0
(4.14)
Sendo:
𝑐𝑐 = co da da secção
Vis o que es e modelo se di ide em 3 secções de cada lado da asa, oi u ilizada
a exp essão 4.15, aplicá el a asas com o ma em apézio, pa a de e mina , pa a cada
secção, o alo da co da média (Vogel anz, 2016).
9 Do inglês Neu al Poin .
10 Do Inglês Ae odynamic Cen e , ep esen a o local onde o coe icien e de momen o é
cons an e, não a iando com o ângulo de a aque (N. Hall, 2015).
11 Do inglês Mean Ae odynamic Cho d.
50
𝑐𝑐𝑛𝑛=
2
3×𝑐𝑐𝑛𝑛×�
1 + 𝜆𝜆+𝜆𝜆2
1 + 𝜆𝜆�
(4.15)
Sendo:
𝑐𝑐𝑛𝑛= co da média na secção n
𝑐𝑐𝑛𝑛= co da em n (início da secção)
λ= a ilamen o
𝜆𝜆=
𝑐𝑐
𝑛𝑛+1
𝑐𝑐𝑛𝑛
(4.16)
Sendo:
𝑐𝑐𝑛𝑛+1= co da em n+1 ( im da secção)
A MAC pode en ão se calculada a a és da equação 4.17 (Vogel anz, 2016).
𝑀𝑀𝜋𝜋𝐶𝐶=
∑
𝑐𝑐

𝑠𝑠
×𝑆𝑆
𝑛𝑛𝑛𝑛=1,3
∑𝑆𝑆𝑛𝑛𝑛𝑛=1,3 (4.17)
É ainda possí el de e mina a localização exa a des a co da quan o à dis ância
ao cen o ao longo da en e gadu a (y) e dis ância ao bo do de a aque (x), a a és das
equações 4.18 e 4.19 espe i amen e.
𝑌𝑌𝑀𝑀𝑀𝑀𝐶𝐶=
∑𝑦𝑦�
𝑛𝑛
×𝑆𝑆
𝑠𝑠𝑠𝑠=1,3
∑𝑆𝑆𝑠𝑠𝑠𝑠=1,3
(4.18)
𝑋𝑋𝑀𝑀𝑀𝑀𝐶𝐶=
∑𝑥𝑥�
𝑛𝑛
×𝑆𝑆
𝑠𝑠𝑠𝑠=1,3
∑𝑆𝑆𝑠𝑠𝑠𝑠=1,3
(4.19)
Sendo que a posição de cn em cada secção pode se de e minada segundo as
equações 4.20 e 4.21 (Vogel anz, 2016).
𝑦𝑦�𝑛𝑛=𝑦𝑦𝑛𝑛+(𝑦𝑦𝑛𝑛+1−𝑦𝑦𝑛𝑛)×�
1 + 2𝜆𝜆
3 + 3𝜆𝜆�
(4.20)
𝑥𝑥𝑛𝑛=𝑥𝑥𝑛𝑛+(𝑥𝑥𝑛𝑛+1−𝑥𝑥𝑛𝑛)×�
1 + 2𝜆𝜆
3+3𝜆𝜆�
(4.21)
É ainda de salien a que a á ea de cada secção pode se calculada a a és da
equação 4.22.
𝑆𝑆𝑛𝑛=
𝑐𝑐
𝑠𝑠+1
+𝑐𝑐
𝑠𝑠
2×�𝑦𝑦𝑠𝑠+1 −𝑦𝑦𝑠𝑠� (4.22)
Des a o ma, o alo de MAC co esponde à co da do modelo a uma dis ância
de ce ca de 0,234 m do cen o (𝑌𝑌𝑀𝑀𝑀𝑀𝐶𝐶), que, pa a o modelo ap esen ado, é de 0,383 m.
51
Ainda de e e i que a MAC localiza-se a uma dis ância do bo do de a aque de 0,096
m (𝑋𝑋𝑀𝑀𝑀𝑀𝐶𝐶). Vis o que é possí el de e mina uma ap oximação da posição de AC em
ce ca de 25% do alo da MAC, no cen o do modelo, a dis ância do AC ao bo do de
a aque é de ap oximadamen e 0,192 m.
A Figu a 32 ep esen a odos os pon os sup aci ados e a sua posição em
elação ao modelo, es imando ainda uma possí el posição de CG. To na-se
necessá io e e i que o NP localiza-se no mesmo pon o que o AC, uma ez que a
ae ona e em ques ão ap esen a uma única supe ície de sus en ação simé ica.
Rela i amen e aos dados de es abilidade do modelo, es es su gi am das
simulações ealizadas pa a ob e os coe icien es de momen o de picada 𝐶𝐶𝑚𝑚, guinada
𝐶𝐶𝑛𝑛 e olamen o 𝐶𝐶𝑙𝑙 sendo que o p imei o oi medido pa a a a iação de 𝛼𝛼 e os seguin es
pa a a a iação de ângulo de guinada (𝛽𝛽).
Ao analisa os dados ob idos a a és da análise de es abilidade, e endo em
especial a enção ao coe icien e de momen o de picada, é possí el deduzi que a
ap oximação ei a pelo mé odo analí ico, que es ima a posição do pon o neu o a 25%
da MAC, não se aplica pa a es e modelo, is o que a de i ada do coe icien e de
momen o de picada em o no do NP (de inido, nes e caso is o que coincide com o
AC, como o pon o em que o momen o de picada não a ia com o ângulo de a aque)
de 0,192 m, ap esen a um alo de 0,0016 como mos a a Figu a 33. Assim, oi
compa ado o NP ob ido a a és do mé odo expe imen al (XFLR5) e o calculado pelo
mé odo analí ico.
Figu a 32 - Asa Voado a e Respe i os Pon os de In e esse (Mülle , s.d.)
58
dispo os ele ónicos como desejado e dis ibui o seu peso. Es e con olo em
bas an e ele ância no que conce ne o lançamen o manual do modelo.
Nes e pon o é possí el es ima a posição do CG, em SolidWo ks e com uma
es ima i a de massa da es u u a do modelo, a uma dis ância de ap oximadamen e
0,106 m do bo do de a aque, co espondendo a um alo de NP de 20%.
Au onomia de Voo Es imada
Po o ma a es ima , com algum g au de con iança, o consumo o al e deduzi
uma au onomia máxima, a e iguou-se o consumo de cada componen e elé ico,
eco endo à in o mação disponí el na bibliog a ia e à expe iência do CIAFA.
Sendo que o g upo p opulsão unciona como um odo ( a iado , mo o e hélice),
oi emp egue uma pla a o ma on-line, comumen e u ilizada pa a dimensiona o mo o
pa a um ipo de ae ona e, denominada de p opCalc14 no cálculo dos consumos
es imados pa a es e modelo. Conside ou-se, nes a es ima i a, a massa o al da
ae ona e de 1,20 kg, uma á ea ala de 38 dm2, uma al i ude de oo de 1000 Abo e
Sea Le el (ASL), a uma empe a u a de 25 ºC e uma p essão QNH15 de 1013 hPa. A
ba e ia de 3 células u ilizada con a com uma capacidade de 4200 mAh e uma
desca ga máxima de 85% da mesma, is o se a mais p óxima da ap esen ada
p e iamen e. En ou, ainda, em linha de con a, o mo o SunnySky A2212-1400, com
peso e desempenho idên ico ao mo o da ae ona e Volan ex Range 757-4, e uma
hélice GemFan com 0,203 m de diâme o e 0,102 m de pi ch e uma elocidade de
c uzei o de 54 km/h, co espondendo a 15 m/s. Segundo dados do p óp io simulado ,
a p ecisão dos alo es ob idos é de ce ca de 15%. Con udo, con e e uma ap oximação
do consumo espe ado pa a o oo eal do modelo. A a és dos esul ados ob idos
pode, en ão, salien a -se um consumo, po pa e do g upo p opulso , de 17450 mA no
seu egime máximo de RPM e de 11750 mA no seu pon o de máxima e iciência,
eco endo a uma po ência máxima de 194,1 W de en ada e 152,6 W de saída,
pe azendo uma e iciência o al (po pa e do g upo p opulso ) de 78,6 %.
14 Es a e amen a oi c iada pela Solu ions o All Ma kus Mülle e é uma das opções
disponí eis no si e h ps://www.ecalc.ch/.
15 U ilizada como p essão ao ní el do ma .

59
A a és dos dados ob idos na análise ae odinâmica da ae ona e em XFLR5 é
possí el es ima a po ência ao eio (P) pa a uma azão de subida de 2,6 m/s, como
suge ido no Pon o de P oje o, segundo a equação 4.24.
𝑃𝑃=
𝑇𝑇
𝑟𝑟
𝑉𝑉
𝜂𝜂𝑝𝑝
(4.24)
Numa a i ude de subida uni o me (sem qualque ipo de acele ação) as
equações de mo imen o ca a e izam-se da seguin e o ma:
𝐿𝐿=𝑊𝑊𝑐𝑐𝐹𝐹𝑠𝑠𝜃𝜃
(4.25)
𝑇𝑇𝑟𝑟=𝐷𝐷+𝑊𝑊𝑠𝑠𝑒𝑒𝑠𝑠𝜃𝜃
(4.26)
Sendo:
𝐿𝐿= o ça de sus en ação
𝐷𝐷= o ça de esis ência
Conside ando uma subida a 15 m/s, co esponden e a 10º de ângulo θ, em-
se, como alo de L, 11,59 N.
𝐶𝐶𝐿𝐿=
2𝐿𝐿
𝜌𝜌0𝑉𝑉2𝑆𝑆
(4.27)
Tendo como alo de densidade ao ní el médio das águas do ma 1,225 kg/m3,
e a a és da equação 4.27, é possí el ob e um alo de coe icien e de sus en ação
de ap oximadamen e 0,221. Reco endo a uma in e polação linea , segundo os
alo es do g á ico da Figu a 29, a inge-se um alo de 𝐶𝐶𝐷𝐷 de 0,0138. Segundo a
equação 4.26 o alo de impulso necessá io, pa a uma subida a 15 m/s e 10º de 𝜃𝜃, é
de 2,77 N o que co esponde a uma 𝑃𝑃𝑟𝑟 de 41,50 W. U ilizando o alo de e iciência do
g upo p opulso de 78,6%, a po ência ao eio é de ap oximadamen e 53 W. Assim,
pode dize -se que, eo icamen e, es e mo o em po ência su icien e pa a sa is aze
os equisi os do modelo inal ap esen ado.
Pa a o compu ado de bo do, Raspbe y Pi 3, p e ê-se um consumo máximo
de 980 mA (5,1 W), que podem se o necidos a a és de uma ligação di e a à saída
de eleme ia, como ep esen ado no Anexo A, ou pode ainda conside a -se a opção
de cone a a um dos canais Pulse Wid h Modula ion (PWM) do pilo o au omá ico, po
o ma a consumi ene gia a a és do a iado (Raspbe y Pi D amble, s.d.).
60
Rela i amen e aos se os, is o que o seu consumo a ia consoan e a
necessidade de u ilização dos mesmos, conside a-se uma in ensidade média de
co en e consumida de 550 mA ao longo de um oo (Ne igo, s.d.). Tendo em con a
que o am u ilizados, nes e p oje o, dois se o-mo o es, a co en e média consumida
se á de 1100 mA.
No que conce ne os es an es componen es é es imado, como e e ido na
Tabela 1 e segundo a expe iência de u ilização des e ipo de ele ónicos no CIAFA,
um consumo o al de 1000 mA. Assim, o alo da au onomia p e is a pa a es e
modelo, se á calculado a a és da equação 4.28.
𝜋𝜋𝐴𝐴𝑡𝑡𝐹𝐹𝑠𝑠𝐹𝐹𝑚𝑚𝑠𝑠𝑎𝑎 [ℎ] = 𝐶𝐶𝑎𝑎𝑝𝑝𝑎𝑎𝑐𝑐𝑠𝑠𝑝𝑝𝑎𝑎𝑝𝑝𝑒𝑒 𝑝𝑝𝑎𝑎 𝐵𝐵𝑎𝑎𝑡𝑡𝑒𝑒𝑟𝑟𝑠𝑠𝑎𝑎 [𝑚𝑚𝜋𝜋ℎ]
𝐶𝐶𝐹𝐹𝑟𝑟𝑟𝑟𝑒𝑒𝑠𝑠𝑡𝑡𝑒𝑒 𝐶𝐶𝐹𝐹𝑠𝑠𝑠𝑠𝐴𝐴𝑚𝑚𝑠𝑠𝑝𝑝𝑎𝑎 𝑝𝑝𝑒𝑒𝑙𝑙𝐹𝐹𝑠𝑠 𝐶𝐶𝐹𝐹𝑚𝑚𝑝𝑝𝐹𝐹𝑠𝑠𝑒𝑒𝑠𝑠𝑡𝑡𝑒𝑒𝑠𝑠 [𝑚𝑚𝜋𝜋]
(4.28)
A en ando que, po mo i os de segu ança, se de e e i a a desca ga o al da
ba e ia, conside ou-se uma ma gem de segu ança de 15% na au onomia es imada,
co espondendo a um alo de ca ga ú il de 3570 mAh.
Reco endo ao alo de co en e ípica o al dos componen es de 14830 mA, e
a a és da equação 4.28, ob ém-se uma au onomia de ap oximadamen e 14 minu os
de oo. Op ando po calcula a au onomia pa a um egime de consumo máximo do
g upo p opulso (RPM máximas), em-se uma co en e de consumo de 20530 mA,
co espondendo a uma au onomia de ap oximadamen e 10 minu os.
Po odas es as azões, pode es ima -se que o modelo inal, com odos os
componen es uncionais, e á uma au onomia de oo en e 10 a 14 minu os. Con udo,
na e en ualidade de se possí el a u ilização da ba e ia Zeee Powe , o consumo de
85% da mesma equi ale a uma au onomia de pelo menos 17 minu os, no caso do
consumo ípico, e 12 minu os no egime de maio es o ço, endo em conside ação o
aumen o de massa de 80 g.
61
Capí ulo 5
5 Validação do Modelo
O mé odo u ilizado pa a a cons ução do modelo a ensaia no únel
ae odinâmico alida o p ocedimen o pa a o p o ó ipo inal, adap ando apenas as
medidas e o núme o e ipo de peças cons i uin es do co po cen al, de cada ae ona e.
O modelo p epa ado especi icamen e pa a o únel ae odinâmico oi adap ado
do modelo eal à escala de 1/1,25, com o in ui o de eduzi a en e gadu a da
ae ona e. Des a o ma, é possí el diminui o g au de ince eza p o ocado po a o es
ex e nos nas ex emidades da á ea de ope ação do únel ae odinâmico.
A escala e e ida az com que es e modelo enha, como especi icações
es u u ais, as e e idas na Tabela 10.
Tabela 10 - Especi icações Modelo Ensaiado em Túnel Ae odinâmico
Conceção dos Modelos
Nes a secção são desc i as as ases de conceção do modelo inal e do modelo
ensaiado em únel ae odinâmico, alidando o p ocesso de cons ução a a és do
modelo a ensaia no únel.
Manu a u a Adi i a
Após se desenhado em SolidWo ks, os componen es do co po cen al o am
sal os numa ep esen ação iangula , a a és da con e são dos ichei os pa a um
o ma o S e eoli og aphy (STL). A p ecisão dos documen os é de inida a iando o
des io e o ângulo dos iângulos que cons i uem as pa es.
Dis ância ao Cen o (mm)
Co da (mm)
O se (mm)
Pe il Ala
0,0
356,0
0,0
NACA 0018
75,0
340,0
16,0
NACA 0018
150,0
320,0
46,7
MH60 10,08%
400,0
240,0
198,7
MH60 10,08%
62
Os componen es o am p oduzidos na imp esso a B2X300 da emp esa
BeeVe yC ea i e. Den o de odas as ca a e ís icas que es a imp esso a ap esen a
são de salien a , no âmbi o des e p oje o, o seu olume de imp essão de 300x200x300
mm e a sua capacidade de esolução en e 50 e 300 mic ons (BEEVERYCREATIVE,
s.d.).
Fo am es adas di e en es con igu ações de imp essão, de o ma a que o
esul ado ob ido osse o mais p óximo do desejado possí el. As especi icações inais
es ão de inidas no Anexo B, esul ando dos conhecimen os adqui idos e da
expe iência desen ol ida a longo des e p oje o.
Pa a o modelo inal, a caixa cen al oi di idida em ês pa es, como
ep esen ado na Figu a 40. É de salien a que os componen es p esen es nes a igu a
se encon am sem supo es, con udo, a imp essão des es elemen os oi ei a como
suge e o Anexo B.
Os componen es e e idos êm uma massa inal (sem supo es) e um empo de
p odução es imado como e e ido na Tabela 11.
Tabela 11 - Dados de Imp essão 3D
Componen e
Massa (sem supo es)
Tempo de P odução
Bo do de A aque
73 g
8h55m
Peça Cen al
203 g
15h06m
Tampa
92 g
11h18m
O co po cen al do modelo ensaiado em únel ae odinâmico oi adap ado com
o in ui o de pode se u ilizado pa a acopla o p o ó ipo ao únel ae odinâmico. Des a
o ma, o componen e oi di idido em duas pa es, sendo a p imei a o co po cen al,
onde se localiza o pon o de ixação do modelo, e a segunda o bo do de a aque.
Figu a 40 - Componen es do Co po Cen al
63
Concluiu-se que as duas pa es do co po cen al de em se p oduzidas
sepa adamen e, com o obje i o de melho a a qualidade de imp essão, o ien ando os
dois componen es como suge em a Figu a 41, e i ada do so wa e Ul imake Cu a
.4.4 e ob endo os esul ados como mos a a Figu a 42.
Co e em io quen e
Rela i amen e aos segmen os em espuma, o mé odo de cons ução consis e
na u ilização da máquina de co e disponí el no CIAFA, ep esen ada na Figu a 43.
Es a máquina oi adap ada e melho ada ao longo do p oje o, po o ma a ob e
esul ados mais p óximos do idealizado sendo que a segunda secção (mudança de
pe il ala de NACA 0018 pa a MH60) eque um desempenho conside á el po pa e
do apa elho de ido aos seus ângulos acen uados.
Figu a 41 - Imp essão 3D Modelo Ensaiado em Túnel Ae odinâmico
Figu a 42 - Co po Cen al Modelo Ensaiado em Túnel Ae odinâmico

64
No CIAFA, é u ilizado o so wa e GMFC PRO16 pa a p epa a as ins uções de
uncionamen o da máquina de co e de io quen e. Nes e p og ama são inse idas
odas as in o mações, po secção do modelo, à semelhança das ep esen adas na
Tabela 7, pa a o modelo inal, e Tabela 10, pa a o modelo do únel ae odinâmico.
A con igu ação do ma e ial u ilizado oi adap ada com o in ui o de eduzi , ou
elimina po comple o, e os de p odução associados ao co e do ma e ial, uma ez
que no p o ó ipo inal é necessá io mon a componen es em espuma com a caixa
cen al ob ida po manu a u a adi i a.
O co e é ei o eco endo a uma on e de alimen ação necessá ia pa a aquece
o io. Es a on e pe mi e egula a ensão de saída e ajus a a in ensidade de co en e
em unção do ci cui o, que nes e caso co esponde ao io de co e. A on e de
alimen ação u ilizada oi a demons ada na Figu a 44 e a in ensidade de co en e ao
qual oi sujei o o io, du an e os co es, oi, como ep esen a a igu a, de 2,65 A.
16 GMFC P o é um p og ama de u ilização especí ica no co e de espuma pa a ab ico de asas,
uselagens ou ou o ipo de o mas (GMFC, s.d.).
Figu a 43 - Máquina de Co e do CIAFA
Figu a 44 - Fon e de Alimen ação Máquina de Co e
65
Colagem
Pa a a mon agem do p o ó ipo inal, os componen es em espuma e os
imp essos em PLA são colados com esina epóxi SR1500 com um endu ecedo
SD2505 (Sicomin Epoxy Sys ems, 2014) e mis u ados com mic o ballons17 que
pe mi em uma maio maleabilidade na colagem e e o çam ainda o pon o do modelo
onde es a acon ece.
A mon agem comple a é alidada segundo o modelo a ensaia no únel
ae odinâmico sendo que na Figu a 45 é possí el compa a o modelo a ensaia no
únel manu a u ado com o modelo p e is o em SolidWo ks.
Modelo Final
O modelo inal con ou com um e o ço em balsa no pon o de colagem do GPS,
nas ex emidades da ae ona e, ao longo da asa e da supe ície de con olo, e no
pon o de colagem en e a componen e em espuma do co po cen al e a secção
seguin e. A bancada do mo o oi ambém e o çada em balsa com o in ui o de ga an i
esis ência a ib ações. A es u u a an e io à caixa cen al oi desgas ada, c iando
en adas de a , com o p opósi o de esul a num aumen o da e iciência do hélice.
Finalmen e, oi ei a uma pe u ação na ampa do co po cen al, po o ma a coloca a
17Mic o ballons são um ipo de es e as ocas, mic oscópicas, u ilizadas como adi i o em á ios
ma e iais com o in ui o de al e a as suas ca a e ís icas (3M, 2007).
Figu a 45 - Modelo Túnel Ae odinâmico Real s Modulação 3D
66
an ena do sis ema de eleme ia o a da caixa, e duas pe u ações na zona in e io do
co po cen al, habili ando o lançamen o manual do modelo.
Todas es as modi icações podem se de e adas no modelo inal ep esen ado
na Figu a 46.
Tempo de P odução e Cus o da Es u u a
O co e a io quen e da es u u a ei a em XPS em uma du ação de ce ca de
duas ho as, u ilizando um me o de comp imen o da placa do espe i o ma e ial. A
manu a u a adi i a, da qual esul a o co po cen al, necessi a de ce ca de um dia e
meio pa a a sua execução. Con udo, é possí el, ao longo do p imei o dia, após o co e
dos componen es em XPS, e e ua a colagem das duas meias asas e do co po cen al.
A cons ução da bancada do mo o , o acoplamen o do co po cen al em PLA e
a espe i a junção com a po ção em XPS de e se ei a no segundo dia.
O e cei o e qua o dias des inam-se à colagem de cada uma das meias asas.
Po sua ez, no quin o dia de em se ins alados os ele ons e mon ado odo o sis ema
ele ónico do modelo.
Assim, pode es ima -se um empo de p odução de ce ca de cinco dias. No
en an o, no que conce ne a manu a u a em massa, o empo de p odução é limi ado
pela manu a u a adi i a, uma ez que podem se colados á ios modelos em
simul âneo.
Rela i amen e ao cus o associado a es a es u u a, é possí el a i ma que o
mesmo é de e as eduzido, quando compa ado com o alo dos ele ónicos, is o que
se pode es ima um alo 5 ezes in e io en e o cus o da es u u a e o cus o do
Figu a 46 - Modelo Final
67
conjun o do pilo o au omá ico. A a és de um balanço do me cado on-line, es ima-se
um consumo máximo de 35 € de PLA e 5 € de XPS.
P ocedimen o Expe imen al
De o ma a ob e condições de semelhança dinâmica, a elocidade do
escoamen o pa a o ensaio expe imen al no únel ae odinâmico, encon a-se a pa i
da igualdade dos núme os de Reynolds pa a as duas si uações dis in as, como
demons a a equação 5.1.
𝑅𝑅𝑒𝑒
𝑚𝑚𝐹𝐹𝑝𝑝𝑒𝑒𝑙𝑙𝐹𝐹 𝑟𝑟𝑒𝑒𝑎𝑎𝑙𝑙
=𝑅𝑅𝑒𝑒
𝑚𝑚𝐹𝐹𝑝𝑝𝑒𝑒𝑙𝑙𝐹𝐹 𝑡𝑡ú𝑠𝑠𝑒𝑒𝑙𝑙
(5.1)
Conside ando o mesmo alo pa a a iscosidade cinemá ica pa a as duas
si uações, sendo que é bas an e p óximo, e u ilizando as equações 4.13 e 5.1, é
possí el deduzi a equação 5.2 que elaciona as elocidades e as espe i as co das
ae odinâmicas.
𝑉𝑉
𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑙𝑙𝑚𝑚 𝑟𝑟𝑚𝑚𝑚𝑚𝑙𝑙
×𝑀𝑀𝜋𝜋𝐶𝐶
𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑙𝑙𝑚𝑚 𝑟𝑟𝑚𝑚𝑚𝑚𝑙𝑙
=𝑉𝑉
𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑙𝑙𝑚𝑚 𝑡𝑡ú𝑛𝑛𝑚𝑚𝑙𝑙
×𝑀𝑀𝜋𝜋𝐶𝐶
𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑙𝑙𝑚𝑚 𝑡𝑡ú𝑛𝑛𝑚𝑚𝑙𝑙
(5.2)
Pa a uma elocidade de c uzei o da ae ona e inal de 15 m/s, a análise do
modelo do únel ae odinâmico de e se ei a a uma elocidade de 18,77 m/s, is o que
o alo de MAC do modelo eduzido é de 0,306 m, calculado segundo a equação 4.14.
O modelo de es e oi a aliado no únel ae odinâmico do CIAFA a a és da medição
de o ças e momen os ei a pela balança do mesmo, segundo o sis ema de eixos
e e ido na Figu a 47.
Figu a 47 - Sis ema de Eixos do Túnel Ae odinâmico
74
a ap oximadamen e 0,145 m pa a o modelo do únel ae odinâmico. Conside ando que
a de i ada do coe icien e de momen o de picada, pa a es es alo es, co esponde a
0,0003 e -0,0006, espe i amen e, é possí el deduzi que a ap oximação ei a pelos
mé odos e e idos não se aplica. Des e modo, oi compa ado o NP ob ido a a és dos
dois mé odos expe imen ais (XFLR5 e únel ae odinâmico) e o mé odo analí ico.
Rela i amen e à análise ei a em únel ae odinâmico, é possí el deduzi o
coe icien e de momen o de picada pa a á ias posições possí eis do CG. Es e oi
es ado pa a 0,145 m, 0,144 m, 0,150 m e 0,154 m de dis ância ao bo do de a aque.
Conside ando que a sepa ação do escoamen o in luencia a medição do momen o a
ângulos de a aque ele ados e ângulos de a aque diminu os, o g á ico da Figu a 55 oi
eduzido po o ma a analisa os espe i os alo es en e 0º e 15º de α.
-0.06
-0.05
-0.04
-0.03
-0.02
-0.01
0
0.01
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25
0,154
0,150
0,144
0,145
𝑪𝑪𝒎𝒎
𝜶𝜶[º]
m
m
m
m
Figu a 55 - Coe icien e de Momen o de Picada - Túnel Ae odinâmico

75
O alo do NP pa a o modelo e e ido, a a és da análise das linhas de
endência e espe i as equações, na Figu a 56, se á de 0,150 m, ao qual equi ale a
linha de endência em que a de i ada do coe icien e de momen o de picada po al a é
mais p óxima do alo nulo, co espondendo a −5 × 𝑒𝑒−05.
Tomando po p incípio, que as ap oximações ei as em únel ae odinâmico
assemelham-se ao egime de oo eal da ae ona e, é possí el de e mina que o NP
a se conside ado na análise des e modelo de e se localizado a uma dis ância de
0,150 m do bo do de a aque, na aiz da asa, ou seja, ap oximadamen e 23,83% da
MAC do modelo de únel. Assim, o CG do modelo de únel ae odinâmico pode a ia
de uma dis ância ao bo do de a aque en e 0,134 m e 0,088 m, o que equi ale a uma
ME de ap oximadamen e 5% e 20%, espe i amen e. Op ou-se po coloca o cen o
de g a idade a 0,088 m do bo do de a aque com uma ma gem es á ica de 20%.
Re o çando os alo es pa a o modelo eal, es es co espondem a 0,383 m pa a
o alo de MAC, 0,188 m pa a o alo de NP e 0,110 m pa a o alo de CG, sendo que
es es dois úl imos se e e em à dis ância ao bo do de a aque.
y = 0.0003x - 0.0107
y = -5E-05x - 0.0123
y = -0.0007x - 0.015
y = -0.0006x - 0.0146
-0.03
-0.025
-0.02
-0.015
-0.01
-0.005
0
0 5 10 15 20
0,154
0,150
0,144
0,145
𝑪𝑪𝒎𝒎
𝜶𝜶[º]
m
m
m
m
Figu a 56 - Coe icien e de Momen o de Picada Reduzido - Túnel Ae odinâmico
76
A Figu a 57 mos a a a iação do coe icien e de momen o de picada (𝐶𝐶𝑚𝑚),
calculado em o no do alo de CG ao longo do ângulo de a aque. Nes a igu a é
possí el iden i ica uma linha de endência cuja de i ada de coe icien e de momen o
de picada 𝜕𝜕𝐶𝐶𝑚𝑚𝐶𝐶𝐶𝐶
𝜕𝜕𝛼𝛼 co esponde a um alo de -0,0069. Es e alo su ge como ce ca de
1,5 ezes in e io ao es imado compu acionalmen e na Figu a 34.
Os dados disponibilizados pela balança do únel ae odinâmico são e e en es
ao eixo do únel, is o é, ao e e ua um es e cuja a a iação se dá ao longo do ângulo
𝛽𝛽, os alo es ob idos não são ela i amen e ao e e encial do modelo mas sim
segundo o eixo ep esen ado na Figu a 47. Assim sendo, oi u ilizada uma ma iz de
o ação po o ma a ans o ma os alo es dos coe icien es de momen o de olamen o
e de guinada ob idos, segundo o e e encial de es abilidade do modelo.
Inicialmen e oi ei a uma o ação pa a o ângulo 𝛽𝛽 u ilizando a ma iz A.
𝜋𝜋=�
𝑐𝑐𝐹𝐹𝑠𝑠𝛽𝛽 −𝑠𝑠𝑒𝑒𝑠𝑠𝛽𝛽 0
𝑠𝑠𝑒𝑒𝑠𝑠𝛽𝛽 𝑐𝑐𝐹𝐹𝑠𝑠𝛽𝛽 0
0 0 1�
(5.3)
Pos e io men e oi execu ada uma o ação pa a o ângulo 𝛼𝛼 a a és da ma iz
B.
𝐵𝐵=�𝑐𝑐𝐹𝐹𝑠𝑠𝛼𝛼 0−𝑠𝑠𝑒𝑒𝑠𝑠𝛼𝛼
0 1 0
𝑠𝑠𝑒𝑒𝑠𝑠𝛼𝛼 0𝑐𝑐𝐹𝐹𝑠𝑠𝛼𝛼�
(5.4)
De uma o ma gené ica, é en ão possí el anspo os alo es ob idos segundo
o eixo idimensional do sis ema, pelo únel ae odinâmico, pa a o eixo de es abilidade
do modelo u ilizando a ma iz 5.5.
y = -0.0069x - 0.0409
-0.25
-0.2
-0.15
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
-20.00 -15.00 -10.00 -5.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00
𝑪𝑪𝒎𝒎
𝜶𝜶[º]
Figu a 57 - Coe icien e de Momen o de Picada - Túnel Ae odinâmico
77
𝐵𝐵×𝜋𝜋=�
𝑐𝑐𝐹𝐹𝑠𝑠𝛽𝛽×𝑐𝑐𝐹𝐹𝑠𝑠𝛼𝛼 −𝑠𝑠𝑒𝑒𝑠𝑠𝛽𝛽×𝑐𝑐𝐹𝐹𝑠𝑠𝛼𝛼 −𝑠𝑠𝑒𝑒𝑠𝑠𝛼𝛼
𝑠𝑠𝑒𝑒𝑠𝑠𝛽𝛽𝑐𝑐𝐹𝐹𝑠𝑠𝛽𝛽 0
𝑐𝑐𝐹𝐹𝑠𝑠𝛽𝛽×𝑠𝑠𝑒𝑒𝑠𝑠𝛼𝛼 −𝑠𝑠𝑒𝑒𝑠𝑠𝛽𝛽×𝑠𝑠𝑒𝑒𝑠𝑠𝛼𝛼 𝑐𝑐𝐹𝐹𝑠𝑠𝛼𝛼�
(5.5)
Conside ando que se p e ende ob e os alo es de coe icien e de momen o de
guinada e olamen o, es a ma iz de e se u ilizada em mul iplicação com o e o �𝐶𝐶𝑙𝑙
𝐶𝐶𝑚𝑚
𝐶𝐶𝑛𝑛�
is o que, segundo o sis ema de eixos u ilizado:
• o 𝐶𝐶𝑙𝑙 co esponde ao coe icien e de momen o em 𝑥𝑥;
• o 𝐶𝐶𝑚𝑚 co esponde ao coe icien e de momen o em 𝑦𝑦;
• o 𝐶𝐶𝑛𝑛 co esponde ao coe icien e de momen o em 𝑧𝑧.
Apesa de e em sido ei os dois es es dis in os ela i amen e à a iação do
ângulo 𝛽𝛽, es es su gi am com o mesmo in ui o: o de a alia a es abilidade em elação
ao momen o de guinada e de olamen o da ae ona e. Toda ia, o aumen o de ângulo
de a aque (de 4º pa a 15º) e idencia duas si uações de oo dis in as, pe mi indo
e i ica se a espos a da ae ona e se man ém ao longo do oo e se o ângulo de
a aque ele ado em alguma in luência na es abilidade la e al e di ecional do modelo.
A Figu a 58 mos a a elação en e o coe icien e de momen o de guinada em
unção de 𝛽𝛽 pa a ângulos de a aque de 4º e 15º. O alo das de i adas dos
coe icien es de momen o de guinada segundo 𝛽𝛽, pa a 4º ou 15º, é de 0,0002. Em
compa ação com a análise p e is a no pon o 4.5.3 espe a a-se um aumen o da
es abilidade, com o aumen o do ângulo de a aque, o que não oco eu no únel
ae odinâmico.
y = 0.0002x + 0.0009
y = 0.0002x + 0.0031
-0.0040
-0.0020
0.0000
0.0020
0.0040
0.0060
0.0080
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25
al a 4º
al a 15º
𝑪𝑪𝒏𝒏
𝜷𝜷[º]
𝛼𝛼=4º
𝛼𝛼= 15º
Figu a 58 - Coe icien e de Momen o de Guinada - Túnel Ae odinâmico
78
Não obs an e ao e e ido, os alo es ob idos podem se compa ados com os
compu acionais sendo que pa a 𝛼𝛼 de 4º o alo é igual ao p e is o e pa a 𝛼𝛼 de 15º é
10,5 ezes in e io ao p e is o. Conside ando que o alo do coe icien e de momen o
de guinada é posi i o, es a ae ona e ap esen a es abilidade es á ica di ecional.
A Figu a 59 ep esen a a elação en e o coe icien e de momen o de olamen o
e o ângulo de a iação 𝛽𝛽 pa a os ângulos de a aque de 4º e 15º. A de i ada de
es abilidade la e al é in luenciada posi i amen e com o inc emen o do ângulo de
a aque, is o que es e enómeno aumen a a axa de a iação da a iá el
co esponden e. Compa ando com os alo es p e is os, pa a 𝛼𝛼 de 4º o módulo do
alo do ensaio em únel a ia em 1,4 ezes ao espe ado e pa a 𝛼𝛼 de 15º oi 1,65
ezes in e io ao p e is o. Con udo o aumen o de es abilidade com o ângulo de a aque
acon eceu numa p opo ção semelhan e ao espe ado, sendo que o p e is o e a de
2,92 ezes e o ob ido oi 2,56 ezes.
A análise de es abilidade à qual se pode sujei a o modelo, no únel
ae odinâmico, é me amen e es á ica, à semelhança da que oi execu ada no pon o
4.5.3 a a és do p og ama XFLR5. Des a o ma, os dados do únel analisados e
compa ados com os compu acionais, mos am que a ae ona e cump e com os
equisi os p opos os, sendo conside ada es á el nos ês eixos de o ação. Pa a além
dis o, é ainda de e e i que o alo da elocidade de c uzei o oi adap ada pa a 13,11
m/s e que a elocidade de pe da, endo em con a as limi ações dos es es ealizados,
es ima-se que acon eça a uma elocidade de 8 m/s. É ainda ele an e menciona que
o alo da po ência necessá ia pa a uma azão de subida de 2,60 m/s, a uma
elocidade de 13,11 m/s, é de 40,16 W.
Figu a 59 - Coe icien e de Momen o de Rolamen o - Túnel Ae odinâmico
y = -0.0023x + 0.0038
y = -0.0009x + 0.0036
-0.060
-0.040
-0.020
0.000
0.020
0.040
0.060
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25
al a 15º
al a 4º
𝑪𝑪𝒍𝒍
𝜷𝜷[º]
𝛼𝛼=15º
𝛼𝛼= 4º
79
Capí ulo 6
6 P og amação do Modelo e Ensaios em
Voo
Nes e capí ulo desc e e-se a p og amação do pilo o au omá ico e os ensaios
em oo com o p o ó ipo inal. É de salien a que, a massa do modelo inal, medida
p e iamen e ao oo, sem o compu ado de bo do, é de ce ca de 1,5 kg is o que es e
incluiu um e o ço em i a adesi a (ce ca de 200 g) e duas de i as, em balsa, na pon a
das asas.
Con igu ação do Pilo o Au omá ico
O i mwa e ins alado no Pixhawk 4 Mini oi a e são es á el 1.10.1 lançada po
Lo enz Meie (2020). Pa a al, oi u ilizado, como GCS, o so wa e QG oundCon ol.
A con igu ação inicial do pilo o au omá ico p essupôs a seleção das
ca a e ís icas de ai ame de Gene ic Flying Wing. Es a p e ê a conexão do se o do
ele on esque do ao canal 1, di ei o ao canal 2 e do a iado ao canal 4, como mos a
o esquema elé ico do Anexo A (PX4 De Team, 2020a). Seguidamen e, p ocedeu-se
à calib ação do ádio comando, pa a al oi necessá io conec a os cinco p imei os
canais do ece o RC ao PPM Encode , como mos a o esquema do Anexo A. O RC
oi con igu ado segundo o modo 2 que elaciona o s ick da esque da com h o le e
guinada e o s ick da di ei a com olamen o e picada. Vis o que es e modelo não em
con olo de guinada, a conexão associada pode se , se necessá io, pos e io men e
desligada. To nou-se ainda imp escindí el escolhe um con olado pa a o canal
cinco, des acado como sele o de modos de oo. Nes e modelo de ádio comando,
op ou-se pelo sele o E.
Os modos de oo u ilizados no deco e dos ensaios o am os de manual e
es abilização. O p imei o modo p essupõe o con olo di e o das supe ícies da
ae ona e a a és de inpu s do pilo o. O segundo modo, po sua ez, é
semiau omá ico, pelo que o pilo o au omá ico man ém o oo de ní el e as in o mações
do con olo emo o p ocessam-se como con olo de ângulo (pa a o p anchamen o e
picada) e axa de a iação (pa a o caso do h o le) (PX4 De Team, 2020d).

80
Ul e io men e, a calib ação dos senso es oi ealizada, sendo que es a eque ia
o senso de bússola, gi oscópio, acele óme o e de elocidade do a . Po o ma a se
possí el a ança es e pon o, sem a necessidade de con igu a um senso de
elocidade do a , is o não es a p e is a a sua u ilização, o nou-se necessá io al e a
o pa âme o FW_ARSP_MODE pa a o alo de 1 (desa i ado).
Sis emas de Segu ança
Após se em con igu ados os modos de oo manual (com o sele o mais
p óximo do pilo o) e es abilização (com o sele o em qualque ou a posição), o am
de inidos os sis emas de segu ança pa a o oo. Es es sis emas su gem
essencialmen e da necessidade de sal agua da o espaço aé eo a se u ilizado is o
que es e se localiza num espaço com a i idade aé ea mili a . Fo am es abelecidos os
seguin es sis emas de segu ança:
• A pe da de conexão RC po 0,5 segundos a i a o modo de e o no
( e u n mode) do pilo o au omá ico. Es e oi con igu ado pa a conduzi a
ae ona e a aze loi e (cí culo em ol a de um pon o de inido com um
aio, elocidade ou u n- a e especí ico), localizado no ally poin du an e
120 segundos e, na ci cuns ância de não se possí el ees abelece a
comunicação, o modelo p ocede pa a a a e agem p og amada no
planeamen o da missão;
• Os ní eis de ba e ia de 35%, 7% e 5% emi em um a iso a a és da GCS;
• A pe da de comunicação de eleme ia não p o oca qualque ipo de
e ei o is o que o egis o do oo es á p og amado pa a se ei o no
p óp io pilo o au omá ico. É de salien a que, na e en ualidade de se
pe de a conexão de eleme ia, a in o mação ela i a ao consumo de
ba e ia passa a es a indisponí el, pelo que a con inuação des a
condição de e se p ocedida de uma a e agem manual;
• A u u a da edação geog á ica es abelecida a a és de um cilind o de
300 m de aio (cen ado no local do lançamen o) e 300 m de al i ude
(conside ando a posição de descolagem como e e ência) a i a o modo
de e o no es abelecido como o e e ido an e io men e;
• A pe da de sinal GPS, caso o modelo consiga ob e uma es ima i a de
al i ude, encaminha o pilo o au omá ico a en a em modo de al i ude
81
(al i ude mode). Na e en ualidade de al não oco e , o modelo eco e
ao modo de es abilização. Pa a con igu a es e pon o oi necessá io
con igu a o pa âme o COM_POSTCL_NAVL como 0.
• 2 segundos após a a e agem se iden i icada pelo pilo o au omá ico, o
modelo p ocede ao desa me do mo o e dos se os, impossibili ando o
seu mo imen o, a é que sejam no amen e a i ados, po ques ões de
segu ança.
A Tabela 12 ep esen a uma sín ese do e e ido an e io men e.
Tabela 12 - Sín ese dos Sis emas de Segu ança
COMPONENTE
AÇÃO
CONSIDERAÇÕES
BATERIA
AVISO
5%, 7%, 35%
RC MODO RETORNO
Após 0,5 segundos sem
conexão, loi e ally poin
po 120 s, a e agem
con o me missão
TELEMETRIA
N/A
N/A
GEOFENCE MODO RETORNO
Cilind o de 300 m de aio
po 300 m de al u a
GPS
MODO ALTITUDE
MODO ESTABILIZAÇÃO N/A
Plano de Voo
O plano de oo au ónomo, ep esen ado na Figu a 60, p e ê um lançamen o,
um pon o de descolagem, um pon o de loi e po empo inde inido (delimi ado com um
aio de 50 m e uma al i ude de 20 m) co esponden e ao pon o 3, e uma a e agem
de inida com um ângulo de descida de ce ca de 12º. Foi ainda colocado um ally poin
jun o da zona de a e agem, a uma al i ude de 20 m, com o obje i o de ma ca o pon o
cen al de loi e em caso de a i ação do modo de e o no. Ainda que o p opósi o da
p o a de concei o es eja associado à a aliação da condição ge al do modelo em oo,
82
dado que a pla a o ma descola num modo semiau omá ico, oi necessá io p ocede às
con igu ações de segu ança e e idas an e io men e.
Ensaios em Voo
P é- oo
P e iamen e à ealização dos ensaios em oo, e com o in ui o de ob e maio
es abilidade di ecional na ae ona e, o am coladas, nas pon as da asa, duas de i as
com design semelhan e ao modelo de asa oado a p esen e no CIAFA. O modelo oi
ainda e o çado com i a adesi a nas zonas de maio impac o e sensibilidade, como é
possí el iden i ica na Figu a 61.
Figu a 61 - Modelo Final
3
Figu a 60 - Plano de Voo
83
Foi ainda analisado o CG do modelo inal a a és do mé odo p á ico do
pêndulo, açando uma linha e a desde o pon o de suspensão do modelo (em cada
pon a da asa) a é ao cen o. O pon o de in e seção das e as ma ca o CG.
P eceden emen e a cada oo ealiza am-se es es de con olo, e i icando, em
modo manual, o con olo en e RC e modelo; em modo es abilização, a compensação
au omá ica po pa e do modelo; e, po im, o con olo de acele ação en e o RC e a
espos a do mo o . É de salien a , nes e úl imo pon o, que os lançamen os o am
e e uados com o mo o em o ação is o que o empo de espos a do mesmo, ao pa i
sem mo imen o, não e a su icien e pa a a p opulsão necessá ia no momen o do
lançamen o.
Ensaios em Voo
No deco e dos oos não oi possí el ins au a o egime o almen e au ónomo
de ido ao ac o de que a p imei a expe iência com o modo de missão p o ocou uma
a e agem o çada. Pa a além disso, as condições de oo, a al a de ba e ias
ca egadas, o empo limi ado pa a a ealização dos oos e a inexpe iência com a
pla a o ma le ou à al a de con iança pa a es e modo. É ainda de e e i que o i mwa e
ca egado no pilo o au omá ico não p e ê um modo de Au o une, ao con á io de
ou os como o A duplane, pelo que a con igu ação dos ganhos dos con olado es do
modelo de e se ei a manualmen e (A duPilo De Team, 2019b, 2019a; PX4 De
Team, 2020c).
Rela i amen e ao modo manual, is o que es e anspo a a esponsabilidade
o al da compensação do modelo pa a o pilo o, op ou-se po não eco e à sua
u ilização, uma ez que o momen o de ansição en e modos se e ela a c í ico pa a
a segu ança de oo.
Des e modo, após o lançamen o manual, ep esen ado à esque da na Figu a
62, a ae ona e ealizou alguns ci cui os, como mos a a aje ó ia do modelo na Figu a
62, com o in ui o de egis a as p op iedades do oo em linha de oo, com 180º de
des asamen o.
90
de alhadamen e es e pon o, assim como con igu a de modo mais minucioso os
con olado es sup amencionados.
De modo a pode conclui a con igu ação pa a oo o almen e au omá ico (sem
qualque ipo de inpu s de ádio comando) ecomenda-se a con igu ação, no plano de
oo, do modo Al i ude Hold pa a ajus e dos pa âme os de con olo de oo do eixo
longi udinal. No e-se que nes e caso, o pilo o au omá ico i á comanda a de lexão das
supe ícies de oo, de modo a segui uma dada e e ência de al i ude. Caso a
ae ona e ap esen e um compo amen o es á el, após ajus e dos con olado es,
pode á se es ado o modo o almen e au omá ico de oo.

91
Capí ulo 7
7 Conclusões
Es a disse ação ap esen a o p oje o, alidação, cons ução e demons ação
p elimina de oo de um eículo aé eo, desen ol ido a a és de p ocessos simples,
ápidos e não dispendiosos. O abalho desen ol ido isa con ibui pa a a
implemen ação de uma ae ona e que sa is aça, em p imei a ins ância, os equisi os
de a qui e u a pa a ensaios de con olo coope a i o no âmbi o das a i idades de I&D
do CIAFA. Des a o ma, a p esen e disse ação expõe um modelo de ae ona e
p opos o e alidado segundo uma análise eó ica, compu acional com base no XFLR5,
expe imen al a a és do únel ae odinâmico e p á ica a a és dos ensaios em oo,
in eg ado no plano de I&D do CIAFA.
O modelo inal possui um componen e cen al, de maio esis ência, pa a
ins alação dos equipamen os ele ónicos, po sua ez mais dispendiosos, u ilizando
p ocessos de manu a u a adi i a de baixo cus o e de pouca especialização e engloba
ainda uma es u u a de peso eduzido em XPS. É possí el conclui que o cus o de
cons ução é signi ica i amen e eduzido, ce ca de 40 €, quando compa ado com o
cus o dos componen es ele ónicos e e idos, is o que, segundo um es udo ge al do
me cado on-line, o alo es imado pa a o cus o dos componen es é de ce ca de 306
€. Assim, es ima-se um cus o o al do modelo ap oximado de 350 €.
A es ima i a de empo de p odução do modelo inal, conside ando o empo de
colagem dos componen es, é de ce ca de cinco dias. Po sua ez, is o que o maio
empo de pa alisação se comp eende no pe íodo de colagens, é possí el ab ica
á ias ae ona es em simul âneo, sendo que a única limi ação es á elacionada com o
p ocesso de manu a u a adi i a.
Po odas es as azões, e idencia-se que os obje i os p opos os pa a es a
disse ação o am cump idos.
Do modelo inal eó ico podem salien a -se as seguin es ca a e ís icas:
• En e gadu a: 1 m
• MAC: 0,383 m
• Pe is: au o es á el MH60 e NACA 0018
• AR: 2,65
92
• Á ea ala : 0,38 m2
• Ca ga ala : 30,98 N/m2
• Peso à descolagem: 1,2 kg
• Velocidade de c uzei o: 13,11 m/s
• Velocidade de pe da: 8 m/s
• Au onomia de oo es imada: supe io a 10 minu os
Vis o que a es u u a engloba um co po cen al ei o po manu a u a adi i a, a
sua manipulação, a a és de qualque ipo de so wa e CAD, o e ece g andes
an agens, conside ando que pode á se adap ado aos equisi os dos p óximos
p oje os. Es es de em, u u amen e, inclui no desenho 3D do co po cen al, as
pe u ações ei as du an e a cons ução do modelo inal, an o pa a o manuseio e
lançamen o do modelo, como pa a a an ena do sis ema de eleme ia.
Rela i amen e ao modo au ónomo do modelo, se á necessá io conclui o ajus e
dos con olado es do pilo o au omá ico, em condições me eo ológicas a o á eis,
omando como pon o de pa ida os pa âme os aplicados nes e p oje o, pa a o
olamen o. Quan o ao ajus e da picada do modelo, de e se u ilizado o modo de
al i ude, po o ma a comp eende e adap a os con olado es no modo longi udinal do
modelo. Após conclusão da con igu ação de oo au omá ico, de e á se ins alado o
compu ado de bo do Raspbe y Pi 3 Model B+, de aco do com a a qui e u a indicada
nes a disse ação, adap ando os senso es necessá ios pa a u u os es udos na á ea
de con olo coope a i o. É ainda de salien a a necessidade de adqui i e ins ala , logo
que possí el, um senso de elocidade a , pa a ca a e ização do modelo em ensaios
em oo e, pos e io men e, con olo da pla a o ma. De e ambém se conside ado um
senso ou mé odo de moni o ização das RPM do mo o , sendo que es e equisi o se á
exclusi o pa a ca a e ização do modelo em ensaios em oo.
Tendo em con a os p oje os a desen ol e , de e conside a -se o possí el
ap imo amen o do modelo po o ma a ob e melho es alo es de au onomia, uma
adap ação do g upo p opulso de modo a i a o maio pa ido do design es u u al de
asa oado a, a expe imen ação de no as con igu ações de imp essão po o ma a
eduzi o peso do componen e cen al, man endo a igidez desejada e o empo de
imp essão, ou a é uma diminuição do amanho do modelo, ado ando as al e na i as
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B-1
Anexo B – Guia de Cons ução do Modelo
Final
Especi icações Imp esso a 3D
Espessu a da Pa ede
0,8 mm
Al u a da Linha
0,2 mm
In ill – ipo
T iângulos
In ill %
10
Tabela B-1 - Especi icações Imp esso a 3D
Figu a B-1 -Componen es do Co po Cen al com Supo es

C-1
Anexo C – Ensaio de E o
𝜶𝜶 [º] 𝑪𝑪𝒎𝒎
𝑪𝑪
𝒎𝒎
b aço 𝑪𝑪𝑫𝑫 𝑪𝑪𝑫𝑫
b aço
-15
-0,0262 -0,0717 -0,1524 -0,0827
-14
-0,0337 -0,0698 -0,1408 -0,0811
-13
-0,0418 -0,0704 -0,1305 -0,0809
-12
-0,0486 -0,0704 -0,1210 -0,0799
-11
-0,0549 -0,0710 -0,1118 -0,0797
-10
-0,0592 -0,0710 -0,1061 -0,0795
-9
-0,0648 -0,0710 -0,1019 -0,0785
-8
-0,0698 -0,0710 -0,0988 -0,0785
-7
-0,0736 -0,0704 -0,0958 -0,0776
-6
-0,0785 -0,0704 -0,0935 -0,0770
-5
-0,0829 -0,0698 -0,0916 -0,0764
-4
-0,0867 -0,0698 -0,0901 -0,0762
-3
-0,0898 -0,0704 -0,0881 -0,0766
-2
-0,0941 -0,0704 -0,0874 -0,0762
-1
-0,0985 -0,0698 -0,0872 -0,0756
0
-0,1016 -0,0691 -0,0866 -0,0752
1
-0,1054 -0,0704 -0,0878 -0,0756
2
-0,1103 -0,0698 -0,0891 -0,0754
3
-0,1128 -0,0685 -0,0901 -0,0750
4
-0,1178 -0,0691 -0,0927 -0,0752
5
-0,1203 -0,0691 -0,0946 -0,0758
6
-0,1247 -0,0678 -0,0977 -0,0750
7
-0,1290 -0,0698 -0,1011 -0,0762
8
-0,1328 -0,0685 -0,1051 -0,0760
9
-0,1378 -0,0678 -0,1099 -0,0758
10
-0,1434 -0,0678 -0,1151 -0,0762
11
-0,1471 -0,0691 -0,1200 -0,0768
12
-0,1521 -0,0685 -0,1263 -0,0772
13
-0,1571 -0,0698 -0,1328 -0,0784
14
-0,1621 -0,0691 -0,1399 -0,0782
15
-0,1677 -0,0698 -0,1473 -0,0789
16
-0,1727 -0,0698 -0,1557 -0,0793
17
-0,1777 -0,0698 -0,1639 -0,0801
18
-0,1833 -0,0704 -0,1732 -0,0809
19
-0,1920 -0,0698 -0,1845 -0,0815
20
-0,2032 -0,0698 -0,1982 -0,0823
21 -0,2132 -0,0698 -0,2129 -0,0831
D-1
Anexo D – Ensaios Túnel Ae odinâmico
Valo es do Ensaio - Va iação de Al a
S
0,24
m2
𝜷𝜷 = 0
T
289,75
K
V
18,77
m/s
R
287,00
J/K.kg
P essão
1022,40
hPa
MAC
0,31
m
𝜌𝜌
1,23
kg/m3
b
0,80
m
Nº Ensaio
𝜶𝜶 [º]
𝑭𝑭
𝒙𝒙
[N]
𝑭𝑭
𝒚𝒚
[N]
𝑭𝑭
𝒛𝒛
[N]
𝑴𝑴
𝒙𝒙
[Nm]
𝑴𝑴
𝒀𝒀
[Nm]
𝑴𝑴
𝒛𝒛
[Nm]
1
-15,00
-7,99
-0,32
19,37
0,07
-0,42
0,03
2
-14,00
-7,38
-0,30
17,45
0,08
-0,54
0,03
3
-13,00
-6,84
-0,28
15,84
0,08
-0,67
0,04
4
-12,00
-6,34
-0,24
14,06
0,06
-0,78
0,04
5
-11,00
-5,86
-0,24
12,22
0,08
-0,88
0,04
6
-10,00
-5,56
-0,24
10,42
0,08
-0,95
0,04
7
-9,00
-5,34
-0,22
8,62
0,08
-1,04
0,04
8
-8,00
-5,18
-0,22
6,89
0,08
-1,12
0,04
9
-7,00
-5,02
-0,22
5,09
0,09
-1,18
0,04
10
-6,00
-4,90
-0,19
3,38
0,09
-1,26
0,04
11
-5,00
-4,80
-0,17
1,65
0,09
-1,33
0,04
12
-4,00
-4,72
-0,18
-0,10
0,11
-1,39
0,04
13
-3,00
-4,62
-0,21
-1,88
0,13
-1,44
0,04
14
-2,00
-4,58
-0,20
-3,63
0,14
-1,51
0,04
15
-1,00
-4,57
-0,19
-5,41
0,15
-1,58
0,04
16
0,00
-4,54
-0,17
-7,12
0,15
-1,63
0,04
17
1,00
-4,60
-0,17
-8,82
0,16
-1,69
0,04
18
2,00
-4,67
-0,14
-10,67
0,15
-1,77
0,04
19
3,00
-4,72
-0,14
-12,42
0,16
-1,81
0,04
20
4,00
-4,86
-0,12
-14,14
0,16
-1,89
0,05
21
5,00
-4,96
-0,13
-15,86
0,18
-1,93
0,04
22
6,00
-5,12
-0,14
-17,59
0,20
-2,00
0,04
23
7,00
-5,30
-0,15
-19,26
0,21
-2,07
0,03
24
8,00
-5,51
-0,13
-20,92
0,21
-2,13
0,03
25
9,00
-5,76
-0,14
-22,79
0,22
-2,21
0,03
26
10,00
-6,03
-0,10
-24,39
0,21
-2,30
0,03
27
11,00
-6,29
-0,12
-26,17
0,22
-2,36
0,02
28
12,00
-6,62
-0,15
-27,95
0,24
-2,44
0,02
29
13,00
-6,96
-0,15
-29,57
0,24
-2,52
0,02
30
14,00
-7,33
-0,12
-31,13
0,22
-2,60
0,02
31
15,00
-7,72
-0,15
-32,72
0,24
-2,69
0,02
D-2
32
16,00
-8,16
-0,17
-34,35
0,25
-2,77
0,02
33
17,00
-8,59
-0,15
-35,86
0,23
-2,85
0,02
34
18,00
-9,08
-0,16
-37,45
0,22
-2,94
0,01
35
19,00
-9,67
-0,18
-39,10
0,23
-3,08
0,01
36
20,00
-10,39
-0,17
-40,98
0,20
-3,26
0,01
37
21,00
-11,16
-0,19
-42,78
0,20
-3,42
0,01
𝜶𝜶 [º]
𝑪𝑪
𝑳𝑳
𝑪𝑪
𝑫𝑫
𝑪𝑪
𝒎𝒎
-15
-0,3696
0,0698
0,0520
-14
-0,3329
0,0597
0,0419
-13
-0,3022
0,0496
0,0339
-12
-0,2683
0,0410
0,0265
-11
-0,2332
0,0321
0,0202
-10
-0,1988
0,0266
0,0153
-9
-0,1645
0,0233
0,0091
-8
-0,1315
0,0203
0,0035
-7
-0,0971
0,0182
-0,0015
-6
-0,0645
0,0165
-0,0070
-5
-0,0315
0,0152
-0,0126
-4
0,0019
0,0139
-0,0169
-3
0,0359
0,0116
-0,0200
-2
0,0693
0,0112
-0,0249
-1
0,1032
0,0116
-0,0305
0
0,1358
0,0114
-0,0348
1
0,1683
0,0122
-0,0379
2
0,2036
0,0137
-0,0441
3
0,2370
0,0150
-0,0485
4
0,2698
0,0175
-0,0534
5
0,3026
0,0188
-0,0564
6
0,3356
0,0227
-0,0627
7
0,3675
0,0249
-0,0656
8
0,3991
0,0291
-0,0712
9
0,4348
0,0341
-0,0775
10
0,4654
0,0389
-0,0836
11
0,4993
0,0432
-0,0866
12
0,5333
0,0491
-0,0928
13
0,5642
0,0544
-0,0971
14
0,5939
0,0617
-0,1032
15
0,6243
0,0684
-0,1087
16
0,6554
0,0764
-0,1142
17
0,6842
0,0838
-0,1197
D-3
18
0,7145
0,0923
-0,1251
19
0,7460
0,1030
-0,1350
20
0,7819
0,1160
-0,1469
21
0,8162
0,1299
-0,1574
Valo es do Ensaio Com Ace o e Ro ação - Va iação de Be a
S
0,24
m2
𝜶𝜶 = 4º
T
289,95
K
V
18,48
m/s
R
287,00
J/K.kg
P essão
1022,40
hPa
MAC
0,31
m
𝜌𝜌
1,23
kg/m3
b
0,80
m
Nº Ensaio
𝜷𝜷 [º]
𝑭𝑭
𝒙𝒙
[N]
𝑭𝑭
𝒚𝒚
[N]
𝑭𝑭
𝒛𝒛
[N]
𝑴𝑴
𝒙𝒙
[Nm]
𝑴𝑴
𝒀𝒀
[Nm]
𝑴𝑴
𝒛𝒛
[Nm]
1
20,00
-0,12
-0,90
-13,64
-0,53
-0,82
0,16
2
19,00
-0,11
-0,87
-13,68
-0,52
-1,83
0,16
3
18,00
-0,05
-0,83
-13,75
-0,49
-1,81
0,16
4
17,00
-0,04
-0,81
-13,82
-0,47
-1,81
0,16
5
16,00
-0,02
-0,76
-13,90
-0,45
-1,81
0,15
6
15,00
0,02
-0,71
-13,87
-0,43
-1,79
0,14
7
14,00
0,04
-0,65
-13,93
-0,41
-1,80
0,14
8
13,00
0,06
-0,62
-14,03
-0,37
-1,78
0,13
9
12,00
0,11
-0,58
-13,97
-0,34
-1,77
0,13
10
11,00
0,13
-0,55
-14,00
-0,31
-1,76
0,12
11
10,00
0,13
-0,53
-14,10
-0,27
-1,76
0,12
12
9,00
0,12
-0,46
-14,17
-0,25
-1,77
0,11
13
8,00
0,17
-0,42
-14,09
-0,22
-1,75
0,11
14
7,00
0,14
-0,41
-14,21
-0,16
-1,77
0,10
15
6,00
0,12
-0,38
-14,18
-0,12
-1,77
0,08
16
5,00
0,16
-0,38
-14,10
-0,07
-1,75
0,08
17
4,00
0,16
-0,35
-14,28
-0,03
-1,77
0,07
18
3,00
0,13
-0,29
-14,36
0,01
-1,78
0,06
19
2,00
0,12
-0,25
-14,36
0,05
-1,80
0,05
20
1,00
0,13
-0,22
-14,38
0,09
-1,79
0,05
21
0,00
0,12
-0,15
-14,34
0,12
-1,80
0,04
22
-1,00
0,11
-0,15
-14,46
0,18
-1,80
0,03
23
-2,00
0,13
-0,11
-14,42
0,21
-1,80
0,02
24
-3,00
0,08
-0,08
-14,43
0,26
-1,81
0,02
25
-4,00
0,06
-0,08
-14,48
0,32
-1,82
0,01
26
-5,00
0,06
-0,03
-14,40
0,35
-1,83
0,00
27
-6,00
0,06
-0,03
-14,50
0,40
-1,83
-0,01
28
-7,00
0,02
-0,04
-14,42
0,47
-1,83
-0,02
29
-8,00
0,01
0,02
-14,48
0,50
-1,85
-0,03
D-4
30
-9,00
0,01
0,03
-14,48
0,55
-1,85
-0,03
31
-10,00
-0,03
0,07
-14,47
0,59
-1,87
-0,04
32
-11,00
-0,04
0,11
-14,47
0,62
-1,87
-0,05
33
-12,00
-0,05
0,17
-14,57
0,65
-1,88
-0,05
34
-13,00
-0,10
0,22
-14,52
0,67
-1,90
-0,06
35
-14,00
-0,10
0,26
-14,47
0,70
-1,90
-0,07
36
-15,00
-0,12
0,30
-14,46
0,73
-1,91
-0,07
37
-16,00
-0,12
0,31
-14,32
0,75
-1,91
-0,08
38
-17,00
-0,13
0,35
-14,34
0,78
-1,91
-0,09
39
-18,00
-0,14
0,38
-14,29
0,79
-1,90
-0,09
40
-19,00
-0,17
0,41
-14,21
0,81
-1,91
-0,09
41
-20,00
-0,16
0,44
-14,14
0,82
-1,90
-0,10
Valo es do Ensaio Com Ace o e Ro ação - Va iação de Be a
S
0,24
m2
𝜶𝜶 = 15º
T
290,45
K
V
18,67
m/s
R
287,00
J/K.kg
P essão
1022,00
hPa
MAC
0,31
m
𝜌𝜌
1,23
kg/m3
b
0,80
m
Nº Ensaio
𝜷𝜷 [º]
𝑭𝑭
𝒙𝒙
[N]
𝑭𝑭
𝒚𝒚
[N]
𝑭𝑭
𝒛𝒛
[N]
𝑴𝑴
𝒙𝒙
[Nm]
𝑴𝑴
𝒀𝒀
[Nm]
𝑴𝑴
𝒛𝒛
[Nm]
1
20,00
4,05
-0,80
-30,16
-1,64
-1,70
0,27
2
19,00
4,08
-0,79
-30,47
-1,58
-2,75
0,27
3
18,00
4,14
-0,73
-30,62
-1,52
-2,73
0,26
4
17,00
4,16
-0,68
-30,73
-1,45
-2,72
0,25
5
16,00
4,22
-0,64
-30,93
-1,38
-2,71
0,25
6
15,00
4,24
-0,59
-31,06
-1,31
-2,70
0,24
7
14,00
4,29
-0,50
-31,16
-1,25
-2,68
0,23
8
13,00
4,32
-0,43
-31,23
-1,18
-2,68
0,22
9
12,00
4,32
-0,38
-31,37
-1,08
-2,68
0,22
10
11,00
4,34
-0,33
-31,47
-0,98
-2,67
0,21
11
10,00
4,40
-0,26
-31,61
-0,90
-2,65
0,20
12
9,00
4,41
-0,21
-31,70
-0,80
-2,66
0,20
13
8,00
4,43
-0,12
-31,72
-0,71
-2,65
0,18
14
7,00
4,45
-0,05
-31,93
-0,60
-2,66
0,18
15
6,00
4,44
0,02
-31,88
-0,50
-2,66
0,17
16
5,00
4,43
0,08
-31,98
-0,39
-2,66
0,16
17
4,00
4,43
0,16
-32,00
-0,28
-2,66
0,15
18
3,00
4,43
0,20
-32,09
-0,16
-2,68
0,15
19
2,00
4,42
0,28
-32,04
-0,06
-2,67
0,14
20
1,00
4,39
0,33
-32,05
0,06
-2,69
0,14

D-5
21
0,00
4,43
0,41
-32,16
0,16
-2,69
0,13
22
-1,00
4,39
0,49
-31,95
0,26
-2,68
0,11
23
-2,00
4,38
0,53
-31,96
0,38
-2,68
0,11
24
-3,00
4,34
0,59
-31,80
0,48
-2,69
0,10
25
-4,00
4,36
0,67
-31,84
0,59
-2,68
0,09
26
-5,00
4,36
0,75
-31,86
0,69
-2,68
0,08
27
-6,00
4,33
0,78
-31,76
0,81
-2,68
0,08
28
-7,00
4,30
0,83
-31,69
0,91
-2,69
0,07
29
-8,00
4,25
0,89
-31,56
1,01
-2,70
0,06
30
-9,00
4,25
0,94
-31,51
1,12
-2,71
0,06
31
-10,00
4,23
0,95
-31,48
1,22
-2,70
0,05
32
-11,00
4,20
1,01
-31,32
1,31
-2,71
0,05
33
-12,00
4,17
1,06
-31,29
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-2,73
0,04
34
-13,00
4,17
1,12
-31,25
1,48
-2,73
0,03
35
-14,00
4,10
1,12
-31,02
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-2,74
0,04
36
-15,00
4,07
1,16
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-2,76
0,02
37
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4,01
1,21
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0,01
38
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3,98
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0,02
39
-18,00
3,95
1,29
-30,46
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-2,77
0,00
40
-19,00
3,91
1,35
-30,32
1,88
-2,77
0,00
41
-20,00
3,89
1,40
-30,14
1,94
-2,78
-0,01
𝜶𝜶 = 4º
𝜶𝜶 = 15º
𝜷𝜷 [º]
𝑪𝑪
𝒏𝒏
𝑪𝑪
𝒍𝒍
𝑪𝑪
𝒏𝒏
𝑪𝑪
𝒍𝒍
20
-0,0131
0,0040
-0,0395
0,0064
19 -0,0127 0,0040 -0,0382 0,0065
18
-0,0121
0,0038
-0,0367
0,0062
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16
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-0,0333
0,0061
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14
-0,0101
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-0,0302
0,0057
13 -0,0092 0,0033 -0,0284 0,0054
12
-0,0083
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10
-0,0067
0,0030
-0,0218
0,0049
9 -0,0062 0,0028 -0,0194 0,0048
8
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0,0026
-0,0172
0,0044
7 -0,0040 0,0024 -0,0145 0,0044
D-6
6 -0,0030 0,0020 -0,0121 0,0040
5
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3
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1
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-1
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-3
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