Drones Operacionais
Drones Aéreos, Terrestres, de Superfície e Submarinos
Os drones ou veículos não tripulados são aparelhos dotados de capacidade de movimentação e de controle à distância, ou seja, remotamente controlados ou tripulados, também chamados de VANT (Veículo Aéreo Não Tripulado), VARP (Veículo Aéreo Remotamente Pilotado) ou RPA (Remotly Piloted Aircraft), como adotado pelos órgãos de controle no Brasil (ANAC e ANATEL). Muito embora os mais comuns sejam os drones aéreos, existem, ainda os drones terrestres, que se movimentam sobre terreno sólido; os drones de superfície, que se deslocam sobre as massas de água; e os drones submarinos, que movimentam sob as massas de água.
Os drones aéreos são os que, no momento, recebem maior investimento e passam por desenvolvimento mais acelerado, dada às múltiplas possibilidades de seu emprego recreativo, militar, policial, industrial e logístico. Os drones terrestres, de superfície e submarinos, no momento, têm o seu desenvolvimento, em maioria, associado ao cumprimento de tarefas militares, apresentando, ainda, pouco interesse comercial, o que pode explicar o menor desenvolvimento e quantidade de fabricantes e modelos disponíveis, quando comparados aos drones aéreos.
Cargas-pagas (payloads) são equipamentos fixados a pontos duros existentes na estrutura dos drones que permitem o cumprimento das missões especais para as quais foram projetados. As cargas-pagas mais comuns são as câmeras que podem ser de variados modelos, incluindo as de espectro visual, de longo alcance, visão noturna, de visão térmica ou infravermelha, de leitura laser para mapeamento de terreno, construções ou obstáculos, em duas ou três dimensões e providas ou não de inteligência artificial para análise, processamento e depuração dos dados adquiridos. Além das câmeras, existem dispositivos para fixação e soltura de materiais aerotransportados, incluindo boias salva-vidas, caixas de primeiros socorros, pacotes logísticos, cabos para fixação e recolhimento, etc. Há também braços mecânicos com alguma capacidade de movimentação e presa, sistemas de aquisição, transmissão, retransmissão e bloqueio de sinais do espectro eletromagnético e um grande número de outros equipamentos que vão sendo desenvolvidos conforme a capacidade de carga e tecnologia embarcada dos drones vai se aprimorando.
Os primeiros drones foram criados para emprego eminentemente recreativo. Eram brinquedos em sua quase totalidade, com tamanho reduzido e capacidade mínimas de carga, normalmente apenas o próprio peso e alcance muito reduzido. O sucesso entre adultos e crianças estimulou o desenvolvimento de novos modelos e a entrada de novos fabricantes no segmento, que crescia vorazmente. Conforme os modelos se sucediam, seus sistemas de controle e funcionamento iam se aperfeiçoando, bem como sua capacidade de carga e alcance, aumentando. Inicialmente sem qualquer capacidade de carga externa, passaram a receber câmeras fotográficas de baixa resolução. Posteriormente, câmeras de vídeo e sistemas de estabilização de imagens permitiram o início do seu emprego em atividades comerciais, de fotografia e filmagem aérea, o que ajudou a alavancar ainda mais o crescimento desse segmento. Atualmente, os brinquedos evoluíram de forma fantástica, incorporando recursos avançados e, a despeito do seu emprego em alguns outros campos, ainda é o destino principal da maior parte dos drones produzidos em todo o mundo.
No campo militar, o principal emprego dos drones é o de substituir veículos tripulados (aeronaves, viaturas, lanchas e submersíveis), permitindo que cumpram missões militares sem risco para seus operadores, que normalmente estão a milhas de distância do teatro de operações. Missões de busca, acompanhamento, reconhecimento, identificação, direcionamento de tiro e mesmo de ataque limitado a alvos militares podem ser executadas por drones equipados com cargas-pagas especiais. Missões de apoio logístico por transporte e entrega de cargas com peso reduzido a distâncias limitadas também podem ser bem realizadas por drones modernos. Por não levarem tripulantes, acabam otimizando sua capacidade de carga, tornando-se menores e mais furtivos. Todavia, até o momento, carregam sempre menor quantidade de equipamentos ou armamentos que os correspondentes veículos tripulados e apresentam restrição de autonomia quando portando cargas-pagas mais pesadas. As duas maiores características que tornam o seu emprego atraente são o menor custo operacional e a possiblidade de cumprimento de missões militares sem baixas humanas por parte dos seus operadores, o que torna sua aplicação melhor recebida por parte da opinião pública, em caso de conflitos militares.
No campo policial, o emprego não difere muito daquele efetuado no campo militar, todavia, com capacidade em geral mais limitada e excluindo, até o momento, missões de ataque. Já os drones para uso industrial normalmente requerem estruturas mais robustas e capacidades específicas. O campo de atuação começa por drones minúsculos para realizar inspeções internas em tubulações e passa por medição de corrosão ou de deformação em estruturas metálicas ou de concreto, inspeção e limpeza química de fachadas, medição de vapores e gases tóxicos ou explosivos, monitoramento de funcionamento de sistemas específicos, leitura de temperatura de animais, pessoas, equipamentos e estruturas, rastreamento de frotas, controle de acesso de pessoal com reconhecimento não só de face, mas de atitudes e comportamentos suspeitos ou indesejados. Esse é o campo que tem apresentado o maior crescimento em termos de diversidade de emprego para os drones de todos os tipos. É importante ressaltar que a QUARTZO Engenharia de Defesa disponibiliza, em seu portfólio, alguns dos melhores drones profissionais para emprego na agricultura e para realização de mapeamento de áreas, plantações e movimentação de rebanhos.
O emprego logístico dos drones para o transporte de cargas e passageiros ainda se encontra em fase experimental, tendo em vista as atuais limitações de peso transportado e alcance máximo. Todavia, importantes progressos têm sido observados e estima-se que em até cinco anos, os drones absorvam uma parte importante do transporte e entrega de cargas de peso limitado a curta e média distâncias. O transporte de passageiros, seguir-se-á, conforme a confiabilidade dos sistemas de controle e funcionamento dos drones alcance um nível tal que os riscos de acidente sejam considerados desprezíveis.
Seguem alguns empregos típicos.
A capacidade dos drones ultrapassarem barreiras estabelecidas e chegarem a lugares e posições onde repórteres não alcançavam incrementou seu emprego no segmento do jornalismo. Em especial, se destacam as seguintes características:
- chegar mais rápido à cena de ação;
- ultrapassar obstáculos verticais que o homem não superaria;
- realizar tomadas aéreas com largo campo visual;
- apresentar reduzido custo e simplicidade operacional
- apresentar baixo ruído, não prejudicando tomadas de som; e
- aproximar-se de cenários perigosos sem risco para o profissional.
Em operações de busca e salvamento os drones podem realizar buscas pré-programadas por longo períodos, identificar com precisão a posição dos buscados, transmitir, por meio de alto-falantes, mensagens de áudio para tranquilizar os acidentados, fotografar ou filmar o local do acidente, para melhor planejamento das equipes de buscas e lançar boias salva-vidas, caixas de primeiros-socorros, alimentos ou dispositivos para comunicação, conforme a necessidade, aumentando o tempo de sobrevivência até que as equipes de resgate cheguem ao local. Se providos de câmeras infravermelho, podem identificar as vítimas mesmo sob a copa das árvores ou sob condições de visibilidade reduzida ou nula.
Incluem-se naqueles destinados às atividades de segurança pública os drones com capacidade, ainda que limitada, de extinção de incêndios, seja por içamento de mangueira para lançamento de líquido extintor ou por lançamento vertical de recipientes com esse produto. Também a medição de gases presentes e o lançamento de caixas de primeiros socorros e de boias salva-vidas são comuns.
Os drones para ações de emergência médica buscam basicamente realizar o transporte rápido de medicamentos e equipamentos para ações de emergência, em sua maioria equipamentos para ressuscitação ou reversão de paradas cardíacas, situação em que a rapidez é crucial. Graças à capacidade de rápido lançamento e deslocamento dos drones e de ultrapassar obstáculos verticais com facilidade, permitindo realizar seu deslocamento praticamente em linha reta, reduzindo o percurso e, por conseguinte, o tempo necessário para atingir o seu destino.
Além de compartimentos para os medicamentos e equipamentos de primeiros socorros, os drones empregados para emergências médicas devem dispor de câmeras 360º, de maneira que ao se aproximarem da vítima, possam identificar visualmente pessoas que estejam próximas e, por meio de seu alto falante, fornecer as instruções necessárias para que essas pessoas ajam com correção para a prestação dos primeiros socorros até a chegada dos profissionais de saúde.
O desenvolvimento de nano-drones poderá permitir o avanço da aplicação desses aparelhos em campos ainda mais diversos, incluindo o da medicina.
Os drones aéreos, devido ao maior número, ao risco de queda sobre pessoas e construções e à elevada capacidade de interferir no tráfego aéreo é o que tem trazido maiores dores de cabeça para as autoridades em todo o mundo. A maioria dos países já estabeleceu legislação específica regulamentando o seu emprego, para os diversos campos de atuação, em especial o recreativo, dada a maior quantidade de unidades e o maior amadorismo dos seus operadores. No Brasil quem estabelece a regulamentação aplicável à operação de drones é a ANAC – Agência Nacional de Aviação Civil. Atuam em conjunto a ANATEL – Agência Nacional de Telecomunicações, no que diz respeito aos equipamentos de radiofrequência empregados para o controle e troca de informações entre o drone e seu operador; e o DECEA, órgão do Comando da Aeronáutica, responsável pelo controle do espaço aéreo brasileiro.
No Brasil, a ANAC não classifica os drones aéreos pelo tamanho, mas sim conforme o seu PMD – Peso Máximo de Decolagem, conforme o seguinte: Classe 1 – maior que 150 kg; Classe 2 – maior que 25 kg e menor ou igual a 150 kg; e Classe 3 – menor ou igual a 25 kg.
No que diz respeito ao sistema de propulsão, que fornece a energia necessária para a decolagem e voo dos drones aéreos, os dois principais tipos são propulsão elétrica e propulsão por motor de combustão interna. Os sistemas de propulsão são empregados para acionar hélices e rotores existentes nos drones aéreos, que, por sua vez, produzem a sustentação necessária para o voo, exatamente como ocorre nas grandes aeronaves (aviões e helicópteros). Os mesmos sistemas de produção são empregados em drones terrestres, de superfície e submarinos, todavia acionando rodas, lagartas, hélices e rotores submersos, conforme o tipo de drone. Outros sistemas de propulsão estão em experimentação, dentre eles micro turbinas a jato. Cada sistema de propulsão tem características distintas de desempenho e resultado, apresentando vantagens e desvantagens, tornando-se mais ou menos adequado para determinado tipo de emprego do drone.
Os sistemas de propulsão elétrica armazenam energia em suas baterias e empregam motores elétricos para acionar as hélices e rotores. Com reduzida quantidade de peças móveis, produzem pouco ruído, apresentam manutenção simplificada e permitem uma resposta mais rápida e precisa a variações de velocidade de rotação, permitindo um mais preciso posicionamento do drone. A facilidade com que a energia elétrica é transmitida da bateria até o rotor elétrico, por meio de cabos elétricos permitiu que o número de rotores fosse ampliado, aumentado o desempenho total do equipamento. Por esse motivo, a quase totalidade dos drones multirotores possuem sistema de propulsão elétrica. O emprego de multirotores também trouxe maior confiabilidade ao equipamento, permitindo a continuidade de sua operação e retorno seguro à base, ainda que um ou dois de seus rotores deixem de funcionar, conforme o projeto.
A principal desvantagem dos sistemas elétricos é o menor tempo de voo, devido às ainda reduzidas capacidades das baterias disponíveis no mercado. Baterias com maior capacidade ainda são muito pesadas e comprometem a capacidade de emprego do drone por reduzirem sobremaneira sua capacidade de carga-paga. Além disso, as baterias disponíveis no mercado requerem um tempo significativo para a sua recarga quando esgotadas, comprometendo a disponibilidade operacional do equipamento.
Os principais componentes de um sistema de propulsão elétrica são a bateria, os motores, a placa com os controladores de velocidade e o receptor. A bateria alimenta a placa que possui controladores de velocidade conectados a cada motor e o receptor. Este recebe o sinal de controle do transmissor no solo e envia o sinal recebido aos controladores de velocidade, que respondem variando a velocidade de cada motor com base na entrada comandada pelo operador e em algoritmos de estabilidade.
O motor elétrico sem escova é o tipo mais comum de motor empregado nos UAV atuais por apresentarem uma maior relação empuxo / peso, maior confiabilidade, maior eficiência elétrica e menor ruído do que a apresentada pelos motores tradicionais com escovas. Esse tipo de motor também é empregado para movimentar ou estabilizar as câmeras elétricas e outros equipamentos instalados como carga-paga nos drones.
Os sistemas de propulsão a combustão empregam o combustível líquido armazenado em seu tanque para alimentar um pequeno motor a combustão, ciclo Otto, que, por sua vez, acionam mecanicamente as hélices e rotores do drone. Os motores podem ser de dois ou quatro tempos, movidos a combustível nítrico ou gasolina. Em geral, os sistemas de propulsão a combustão são mais complexos e difíceis de configurar, usar e manter do que os sistemas elétricos. Também emitem maior ruído, são menos confiáveis e não proporcionam a mesma precisão que os sistemas elétricos. No entanto, podem proporcionar tempo de voo significativamente mais longo e são reabastecidos com muito maior rapidez. Por esses motivos, os sistemas de propulsão a combustão são os mais usados em drones projetados para apresentarem maior alcance, normalmente de asa fixa, em sua maioria.
Os motores de combustão interna empregados nos drones funcionam de forma similar aos motores dos automóveis e produzem energia por meio da combustão de uma mistura de combustível e ar em uma câmara de combustão. O eixo rotativo do motor desloca um pistão que comprime a mistura de combustível e ar. A mistura é então inflamada, produzindo gases de alta pressão que empurram o pistão, girando o eixo por meio de um virabrequim.
Os principais componentes de um sistema de propulsão a combustão para UAV são o motor, o tanque de combustível e o servo do acelerador. Um ou mais tanques de combustível podem ser conectados ao motor para fornecer combustível. O servo controla a alavanca do acelerador do motor e recebe o sinal de controle do receptor. Tanto o receptor como o servo devem estar alimentados por uma bateria. Todavia, como essa bateria precisa apenas alimentar o receptor e o servo, são normalmente de baixa tensão, 4 a 6 volts, e de baixa capacidade, cerca de 1600mAh. As baterias de polímero de lítio (também conhecidas como Li-Poly ou Lipo) são o tipo mais comum de bateria usada nos UAV atuais, como fonte principal de energia para o sistema de propulsão elétrico. Sua alta densidade de energia e taxas de descarga as tornam ideais para uso em veículos aéreos. No entanto, eles podem ser facilmente danificados ou até representar riscos de incêndio se não forem usadas ou mantidas adequadamente. As hélices são os dispositivos empregados para produzir empuxo em um UAV e permitir sua decolagem e voo. Como um ventilador, as hélices giram um conjunto de pás em torno de um eixo para gerar um fluxo de ar que, por sua vez, empurra todo o conjunto da aeronave para frente. A rotação e geometria da hélice é que irá determinar os parâmetros de desempenho, tais como empuxo máximo, eficiência e velocidade máxima do drone.
Sistemas Anti-drone
Detecção por áudio – os drones emitem um som muito específico. Existem dispositivos que podem ouvir as frequências muito específicas emitidas pelos dispositivos vibrantes e funcionam bem até certo ponto. Em um ambiente calmo, esses dispositivos podem detectar um drone que se aproxima com precisão de até 500 pés. Um estudo realizado por pesquisadores coreanos e publicado em janeiro de 2017 testou esses dispositivos em um ambiente urbano do mundo real. Quando usados em um ambiente mais barulhento, os detectores de áudio tinham dificuldade para realizar a identificação dos drones que se aproximavam.
Tecnologia RF – Os drones operam usando radiofrequência para se comunicar com seus operadores. Para manter o receptor e a transmissão conectados, eles são emparelhados com chips RFID específicos que impedem que outros dispositivos na mesma frequência interfiram no drone.
Jammers – A fim de não interferir com as comunicações das aeronaves tripuladas, telefones celulares, transmissões públicas ou outras bandas de rádio já dedicadas, os drones normalmente empregam as frequências de 2,4 GHz e 5,8 GHz para se comunicarem com o operador. Os Jammers, atuam emitindo sinais eletromagnéticos nessas frequências, abafando seus sinais de controle. Os Jammers podem ser fixos, móveis (semelhantes a armas), e conseguem fazer com que um drone pouse com segurança no chão, longe de onde ele pretendia ir.
Geofencing – O “geofencing” trabalha para criar uma barreira em torno de um espaço aéreo específico, usando uma combinação de uma rede GPS e conexões LRFID (identificador de frequência de rádio local) como Bluetooth ou Wi-Fi. Esse santuário é criado usando uma combinação de hardware e software para criar um limite físico e invisível ao redor de um espaço aéreo. Alguns fabricantes de drones estão incluindo a tecnologia de cercas em suas aeronaves, para alertar os pilotos quando eles entram em zonas de exclusão aérea ou em espaços aéreos restritos, como prisões, usinas de energia ou aeródromos.
Detecção de vídeo – O vídeo pode ser usado em conjunto com outra tecnologia de detecção de drone para criar e retransmitir um registro visual de um incidente detectado por drone. Devido a fatores como clima ou mudanças na estação, a detecção de vídeo não é a primeira linha de defesa ideal na detecção de drones recebidos, mas pode ser uma ferramenta valiosa para registrar incidentes com drones para revisão futura.
Detecção térmica – A geração de imagens térmicas também não é uma excelente primeira linha de defesa na detecção de drones, mas pode ser uma ferramenta útil para encontrar operadores de drones em uma região remota. Por exemplo, em um espaço restrito, como a área ao redor de uma usina. Se um drone for detectado no espaço aéreo, as câmeras de imagem térmica conectadas a um drone operado pelo pessoal de segurança da usina podem ser usadas para ajudar a localizar o operador próximo do drone invasor.
Detecção radar – Os drones geralmente são aeronaves pequenas e de voo baixo, o que os torna muito difíceis de captar usando radar. A tecnologia de radar é ótima para localizar grandes aeronaves tripuladas, à longa distância, que voam nos espaços aéreos tradicionais. Mas não conseguem detectar com facilidade os pequenos drones.
A QUARTZO Engenharia de Defesa conta com uma ampla linha de drones profissionais e recreativos, modernos e com elevado desempenho, capazes de atender às mais diversas necessidades operacionais de nossos clientes. Conta também com sistemas fixos e móveis, para defesa de ponto ou de área contra drones. Por trabalharmos com alguns dos melhores fabricantes internacionais e possuirmos um portfólio diversificado tanto de aparelhos, com características diferenciadas em termos de alcance, velocidade, capacidade de carga e recursos embarcados, como de cargas-pagas, incorporando as mais modernas tecnologias em termos de optrônica e robótica, conseguimos atender as necessidades de nossos clientes sem que estes precisem alterar ou reduzir os requisitos operacionais estabelecidos para os seus projetos. Muito pelo contrário, nós temos o equipamento perfeito para atender às suas necessidades operacionais.