9 de abr de 2018

Como aviões funcionam (e o que isso tem a ver com drones autônomos)

Alexandre Nogueira

As aeronaves em geral são muito conhecidas por sua eficiência e flexibilidade. Se em idos de 1850 passageiros levavam cerca de quatro semanas para viajar de trem entre Nova York e Califórnia, por exemplo, hoje levam seis horas. Há muitos outros exemplos que demonstram de maneira impressionante a revolução de transporte que elas trouxeram – e a conexão que criaram entre todas as nações do mundo.

Hoje em dia, quando pensamos em viajar longas distâncias, logo nos vem à mente os aviões, que se destacam principalmente pela capacidade de voar em linha reta e pela economia de energia.

Como não há obstáculos nos céus – salvo uma grande tempestade ou uma erupção vulcânica –, as aeronaves podem voar em linha reta por muito mais tempo. Em segundo lugar, a indústria aeronáutica fez avanços enormes na economia de combustível, refinando tanto os motores dos aviões quanto sua aerodinâmica.

Em relação à flexibilidade, avanços também foram enormes. Os primeiros aviões, como o 14 Bis de Alberto Santos-Dumont, eram muito simples, mas já possuíam os conceitos de aerodinâmica básicos que são empregados até hoje. O que muda – e muito – é a tecnologia.

Em um avião normal, superfícies de controle (as partes móveis nas asas dos aviões) são responsáveis por manobrá-los em seus eixos de rotação, conforme mostram as figuras abaixo:

Isso influencia diretamente seus sistemas de decolagem e pouso: aviões precisam de uma pista e helicópteros, de locais planos que podem ser mais apertados. Entre os dois, há diferenças enormes.

Os aviões decolam porque o ar que passa pelas asas gera uma força aerodinâmica chamada sustentação. Quanto mais rápido ele vai, maior é esta força. E quando a força de sustentação é suficiente, pronto: o avião decola. Ao colocar sua mão na horizontal para fora de carro em movimento, você também sentirá essa força de sustentação.

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Já os helicópteros, que são chamados de aeronaves de asa rotativa (as hélices), funcionam de maneira diferente. Suas hélices obedecem os mesmos princípios das asas dos aviões, mas o motor as movimenta para cima e assim o helicóptero voa. Este tipo de voo é chamado de decolagem e pouso vertical, conhecido pela sigla em inglês VTOL.

Mesmo com essa imagem simples na cabeça, já é possível imaginar que o helicóptero gasta mais energia para voar que um avião. A explicação por trás da diferença é, como de costume, física pura.

Basicamente, trata-se do princípio de conservação de energia: o motor acelera o avião, trocando energia química (combustível) por energia cinética (velocidade). As asas dos aviões são muito eficientes ap trocar energia cinética (velocidade) por potencial (altura) e assim a decolagem sempre tem energia armazenada, seja cinética ou potencial. Isso exige muito menos do motor do avião.

A figura abaixo exemplifica essa troca de energias, em que KE é energia cinética e PE, energia potencial:

No momento da decolagem, o helicóptero não conta com a energia cinética de um avião, já que ele está parado e não correndo pela pista. Assim, o helicóptero troca energia química (combustível) pela energia potencial (altura) direto, sem uma ajudinha da energia cinética.

Para que tudo funcione, ele precisa de um motor mais potente – e consome mais energia no processo. Por isso, um helicóptero que carrega quatro pessoas consome muito mais combustível que um avião que carrega quatro pessoas. Como não poderia deixar de ser, isso se reflete no custo do voo.

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Onde entram os drones nessa história?

Outro ponto importante da estrutura de um helicóptero: ele foi construído para manobrar considerando o efeito do torque causado pela hélice e pelo motor principal.

Para entender o que isso significa em seu funcionamento, basta lembrar dos filmes em que há um acidente no ar e o rotor de cauda (tail rotor, em inglês) de um helicóptero para de funcionar, geralmente bem no meio de uma cena de ação. Ele começa a girar sem parar.

(Uma nota, antes de seguirmos em frente: filmes têm boas doses de exagero e helicópteros estão entre os meios de transporte mais seguros do mundo.)

E o que isso tem a ver com veículos voadores como drones? Muita coisa. Quadcopters (os drones de quatro motores, que estão entre os mais comuns do mercado) fazem a compensação do torque de maneira diferente, já que as hélices e motores giram em direção contrária e são alinhados diagonalmente. Isso compensa automaticamente o efeito.

Os helicópteros e os quadcopters estão na mesma categoria – são aeronaves de asas rotativas –, mas o seu funcionamento aerodinâmico é bem diferente. Os quadcopters mudam sua atitude de voo simplesmente ao mudar a velocidade de cada um dos quatro motores, o que torna sua operação muito simplificada e reduz a zero a necessidade de partes mecânicas.

Neste ponto, os eixos de rotação são muito importantes quando falamos de voos autônomos – e programá-los, que é o assunto do Nanodegree Voo Autônomo –, já que é o que vamos usar para direcionar nossos drones para o caminho certo.

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Como eixos de rotação se traduzem em comandos

Aqui já conseguimos destacar as operações básicas dos quadcopters, como armed (armado/preparado), take-off (decolar), hover (flutuar), navigate (navegar), land (pousar) e disarmed (desarmado).

Estas operações podem ser definidas como estados de operação do quadcopter e serão usadas para definir as ações que nosso quadcopter vai executar. Este é o objetivo do primeiro projeto do Nanodegree Voo Autônomo da Udacity, o Backyard Flyer.

A ideia é programar o drone para executar um quadrado e pousar no mesmo local da decolagem. Parece simples – e é mesmo.

No curso, programamos em Python e usamos a API da Udacity, a Udacidrone, para criar este voo autônomo. Trata-se de uma API que pode ser usada no simulador ou portada para um hardware de verdade – com drones programáveis de verdade!

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Lógica de voo e navegação

Neste projeto, nós nos preocupamos com a lógica de voo e a navegação, dois desafios da área.

A navegação é um desafio não por sua dificuldade de programar, mas pela maneira diferente de pensar. Explico: nossa rotina diária é baseada em duas dimensões e normalmente usamos somente um eixo cartesiano bem simples, X e Y.

Quando pensamos em um quadcopter, no entanto, temos seis dimensões para explorar naquele pequeno robô voador: três de rotação e outros três de translação. Além disso, há uma capacidade de processamento e armazenamento bem pequena, para que o veículo seja leve.

E para ficar ainda mais interessante, a navegação acontece em outras três dimensões (nosso drone terá como origem e destino pontos com coordenadas (x, y) e alturas (z) diferentes) – tudo isso enquanto se controla a velocidade individual dos quatro motores do quadcopter.

Respirou? Então saiba que nesse momento entram dois componentes super importantes dos quadcopters: o autopilot (piloto automático) e o Inertial Measurement Unit (IMU, ou unidade de medição inercial).

O autopilot é o módulo responsável por distribuir a força em cada um dos motores para que o drone possa ficar na atitude desejada. Decolar, inclinar, pousar, girar... Tudo isso é controlado pelo autopilot, que tem um papel fundamental para simplificar as tarefas de controle de um quadcopter.

Já a IMU é um módulo responsável por medir a atitude do drone. Atenção: não é a aLtitude e sim a atitude mesmo. Se ele está inclinado, girando ou acelerando, por exemplo. As IMUs são um pouco complexas, mas são compostas normalmente por três acelerômetros e três giroscópios.

Porém, elas não são tão distantes do cotidiano como podem parecer no papel. Todos os smartphones têm “IMUs” em diferentes níveis de complexidade: é a “IMU” que detecta que você quer tirar a foto com o telefone deitado, por exemplo.

Estes dois módulos, autopilot e IMU, interagem e facilitam muito nossa vida: o autopilot interpreta as leituras da IMU e corrige a atitude do drone ao aplicar velocidades diferentes em cada motor.

Assim, o grande desafio é criar um software que permita que um robô voador navegue em um espaço tridimensional, com três eixos de rotação (roll, pitch, yaw), usando coordenadas geográficas locais e globais e seja bastante eficiente.

Difícil? Um pouco. Mas praticando esta maneira de pensar, conseguimos ver as coisas de outra maneira – e podemos logo imaginar nosso drone voando por aí.

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Alexandre Nogueira é engenheiro de computadores e trabalha com desenvolvimento de novos negócios na Ericsson, em São Paulo. Interessado em tecnologias emergentes e novas oportunidades, retomou os estudos na Udacity com o Nanodegree Engenheiro de Carro Autônomo e hoje é aluno do Nanodegree Voo Autônomo.

Sobre o autor
Alexandre Nogueira

Alexandre Nogueira é engenheiro de computadores e trabalha com desenvolvimento de novos negócios na Ericsson, em São Paulo. Interessado em tecnologias emergentes e novas oportunidades, retomou os estudos na Udacity com o Nanodegree Engenheiro de Carro Autônomo e o Nanodegree Voo Autônomo.