Construção de um veículo aéreo não tripulado para agricultura de precisão

Medeiros, Fabricio Ardais1, Alonço, Airton dos Santos2, Pereira, Rudiney Soares3,
Romano, Leonardo Nabaes 4, Wollmann, Marlos Evandro5.

1,2,3,5Deptº de Engenharia Rural – Laserg/UFSM.
4Deptº de Engenharia Mecânica – CT.
www.ufsm.br/laserg/

1. INTRODUÇÃO

A agricultura de precisão se tornou um conjunto de tecnologias capaz de auxiliar o produtor rural a identificar as estratégias a serem adotadas para aumentar a eficiência no gerenciamento da agricultura, maximizando a rentabilidade das colheitas, tornando o agronegócio mais competitivo, possibilitando a otimização do uso dos recursos edafoclimáticos e minimizando, assim, os insumos utilizados no sistema de produção de um local.
O presente trabalho propõe desenvolver um procedimento alternativo para a aquisição de dados e telemetria das atividades agrícolas com um Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT), que serve de apoio para monitoramento e transmissão de dados coletados em vôo.
O desenvolvimento e construção do VANT para a agricultura de precisão é um artefato técnico, devido à complexibilidade e à incorporação de componentes eletrônicos, exigindo alguns passos que foram essenciais para o desenvolvimento do produto.
Neste sentido, torna-se essencial o emprego de metodologias de projeto de produtos industriais para o alcance dos propósitos desta pesquisa e que, neste estudo, baseou-se nas proposições de (ROMANO, 2003).

2. MATERIAL E MÉTODOS

A metodologia empregada para execução do VANT segue a proposta de Romano (2003), adaptada para este trabalho, decompondo-se em quatro fases, assim denominadas: Projeto Informacional; Projeto Conceitual; Projeto Preliminar e Projeto Detalhado.
Na etapa do projeto informacional, foram levantadas diversas informações qualitativas, no que diz respeito à construção, em função da qualidade de vôo e do espaço para a adaptação da aviônica.
A relação das necessidades dos clientes foi obtida através de pesquisa com agricultores envolvidos com a implantação da agricultura de precisão 
Fonseca (2000) relata que os requisitos dos clientes devem ser confrontados com os atributos do produto. O levantamento das informações técnicas e das necessidades dos clientes servirá para a tomada de decisão em alguns dos aspectos inerentes às condições de vôo e às atividades de monitoramento.
O projeto conceitual é a fase do processo onde se inicia a concepção do artefato, seguindo as necessidades identificadas na fase informacional. Segundo Pahl e Beitz (1996), o projeto conceitual está dividido em uma série de etapas com o objetivo de gerar uma concepção, isto é, determinar a proposta de solução que irá satisfazer a função global.
Os critérios utilizados para as alternativas de concepções, estão diretamente relacionados com a sustentação que o perfil da asa deverá gerar, posicionamento da asa em relação à fuselagem e o posicionamento do motor. Estas considerações estão diretamente relacionadas ao equilíbrio da aeronave, permitindo, a mesma, possuir diferentes desempenhos.
A etapa do desenvolvimento de alternativas de concepção busca princípios de soluções, estando diretamente relacionada com a elaboração de cada parte do VANT. 
Foram ensaiados vários perfis de asa, simulando o escoamento e suas características, onde se analisou as polares de  (sustentação pelo arrasto),  (Sustentação pelo ângulo de ataque), L/D (eficiência do perfil) e  (Sustentação por momento de arfagem).
O motor escolhido é a gasolina, monocilíndrico, 2 tempos, que está relacionado às aeronaves utilizadas no aeromodelismo aptas a acrobacias, que se enquadram nos requisitos de projeto. 
Na fase do projeto preliminar, o sistema técnico evoluiu do abstrato ao concreto, de forma a acompanhar uma seqüência lógica e evolutiva.
Segundo Pahl e Beitz (1996), na fase do projeto preliminar nem sempre é possível determinar um plano registrado, no entanto, pode-se criar ferramentas para a orientação dos passos a serem tomados.
Os requisitos principais são aqueles que apresentam uma importância determinante nesta fase. Podem ser separados por fuselagem, empenagem, asas e os espaços para equipamentos.
Na etapa do projeto detalhado, iniciaram-se os desenhos detalhados para a fabricação dos componentes. Segundo Romano (2003), o projeto detalhado faz a interface entre o projeto e a produção.
A fase do projeto detalhado é finalizada com o registro das lições aprendidas.

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

Para o ajuste dos equipamentos a bordo do VANT, foi considerado os movimentos aerodinâmicos, que esta diretamente relacionada com a abertura angular da câmera de vídeo e fotográfica para a melhor captação e transmissão de imagens. 
A estimativa de peso foi dada pelo somatório da carga útil, peso de combustível e carga paga, estimada em 146,5 N.
Na seleção do perfil da asa, o número de Reynolds selecionado neste trabalho foi de 2,5.105. Esse é aproximadamente o número de Reynolds em que ocorre a transição completa de uma camada limite de fluxo laminar para uma de fluxo turbulento, em qualquer perfil. O ângulo de incidência escolhido foi de 6 graus, apresentando maior eficiência para uma grande sustentação.
A hélice selecionada foi 20 X 12 “pusher”, pois apresenta melhor desempenho, com a maior tração teórica estimada na velocidade de decolagem de 76,3 N. Como esse resultado corresponde à força de tração teórica, decidiu-se por usar um fator de segurança neste valor. Assim, a tração usada para fins de cálculo é de 70 N.
A velocidade de decolagem foi estimada em 12 a 15 m/s, estes valores foram obtidos de acordo com os números de Reynolds médios da asa.
O perfil que demonstrou melhor eficiência, coeficiente de sustentação e velocidade de estol mais adequado, ensaiado no software de escoamento de perfis aerodinâmicos XFLR5, foi o perfil eppler 432. 
O modelo de trem de pouso está baseado nas diversas situações de terrenos que são encontradas a campo. Em razão disto, optou-se pelo sistema triciclo ao invés do sistema convencional, que possui a bequilha junto ao leme da aeronave.
As rodas têm as dimensões de 4,5 polegadas de diâmetro com um revestimento de borracha e cubos de nylon. A escolha do tamanho e composição das rodas baseou-se nos tipos de terreno a que o avião será submetido.
A definição do leiaute da asa consiste basicamente em uma asa retangular, possuindo um afilamento em suas ponteiras para a redução do arrasto.
As dimensões utilizadas para o aileron, segundo Lennon (1996), são de 25% da corda e 40% de metade da envergadura da asa. No entanto, por possuir um diedro a 3º e a 48 centímetros da ponteira da asa, foi realizado um aumento na largura do aileron, ficando com um dimensionamento de 90,0mm por 440,0mm.
Optou-se em desenvolver uma concepção de empenagem, onde suas características fossem adequadas para o tipo de vôo que se necessita. Para isso, foi desenvolvido um perfil em forma de “H-Tail”, que possui um profundor e dois lemes.
Nas figuras a seguir, estão representadas as dimensões do VANT na vista superior, frontal e lateral.

Vista superior das dimensões do VANT.

Vista da altura do VANT em relação ao solo.

Vista lateral do ângulo utilizado para a empenagem.

4. CONCLUSÃO

Este trabalho demonstrou a importância em seguir uma metodologia de trabalho.
Como esse projeto foi de caráter técnico, desde a concepção até os desenhos de fabricação, foi indispensável que os vários conhecimentos, normalmente estudados de forma isolada, foram congregados para que possam ser considerados e utilizados de forma conjunta e integrada. De acordo com os primeiros testes realizados no desenvolvimento deste trabalho, foi possível mapear uma determinada área em tempo real, verificando algumas não conformidades (manchas nas lavouras, falha de plantio). 

5. REFERÊNCIAS

FONSECA, A. J. H. Sistematização do processo de obtenção das especificações de projeto de produtos industriais e sua implementação computacional. Florianópolis, 2000. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) – Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica Universidade Federal de Santa Catarina,2000.
LENNON, A. Basics of R/C Model Aircraft Design, Air Age Inc., Ridgefield, CT, USA, 1996.
PAHL G.; BEITZ W. Engineering Design: a systematic approach. Berlin: Springer Verlag, 1996.
ROMANO, L. N. Modelo de referência para o processo de desenvolvimento de máquinas agrícolas. Florianópolis, 2003. 285 p. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) – Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica Universidade Federal de Santa Catarina, 2003.