Princípios de voo: como um multirrotor se mantém parado no ar

Uma hélice empurra o ar para baixo e recebe, em reação, um empuxo para cima. O empuxo cresce aproximadamente com o quadrado da rotação do rotor e com a densidade do ar, e um diâmetro maior o produz com mais eficiência (T = C_T × ρ × n² × D⁴, onde ρ é a densidade do ar, n a rotação do rotor e D o diâmetro). Em grande altitude ou em dias quentes o ar é mais rarefeito, então os rotores precisam girar mais rápido para sustentar o mesmo peso.

Pairar é o estado em que o empuxo total de quatro (ou mais) rotores equilibra exatamente o peso mg — em um quadricóptero, mg ÷ 4 por rotor. Quanto mais pesada a câmera de inspeção ou o sensor de contato, mais rápido os rotores giram e menos reserva de empuxo sobra para subir ou enfrentar rajadas. O projeto de aeronaves de inspeção é uma batalha por essa margem.

Um multirrotor não tem superfícies de controle. Todo movimento vem de diferenças de rotação entre os motores. Reduza um pouco os motores dianteiros e acelere os traseiros, e a aeronave arfa para a frente; o empuxo se inclina para a frente e a aeronave acelera (T·sinθ na figura). A rolagem funciona do mesmo modo. Para parar, ela se inclina para o outro lado e freia.

A guinada funciona de outra forma. Uma hélice girando produz um torque de reação que tenta girar a fuselagem no sentido oposto. Em um quadricóptero, um par diagonal gira no sentido horário e o outro no anti-horário, de modo que os torques se cancelam. Acelere um par e desacelere o outro mantendo o empuxo total constante, e só resta o desequilíbrio de torque — a aeronave gira no lugar.

Um multirrotor é um veículo inerentemente instável, que tombaria em segundos se fosse deixado por conta própria. O controlador de voo o mantém no ar com controle em cascata. De fora para dentro, ele define alvos de posição, depois de velocidade, depois de atitude e depois de taxa angular; a malha mais interna, de taxa, lê os giroscópios e comanda os motores. A maioria dos estágios é de controladores PID (que corrigem pelo tamanho do erro, P; pelo seu acúmulo, I; e pela rapidez com que muda, D) ou estágios mais simples, só P (no PX4, por exemplo, a posição usa P, enquanto velocidade e taxa usam PID).

O truque é que as malhas internas rodam mais rápido. Os erros de atitude crescem num instante, por isso a malha de taxa roda centenas de vezes por segundo ou mais, enquanto a malha de posição pode ser bem mais lenta. O mixer redistribui “gire tanto em torno deste eixo” em rotações individuais dos motores. Um ajuste ruim aparece perto de estruturas: a aeronave ou reage demais a pequenas perturbações, ou responde tarde demais e deriva.

A sensação de uma aeronave se segurando antes de tombar aprende-se mais depressa com as mãos do que lendo. Experimente os sticks em voar sobre um mapa-múndi no navegador (Airffic Simulation, em japonês).

O controle só funciona se a aeronave conhece seu estado atual. Nenhum sensor isolado merece confiança sozinho, por isso sensores de naturezas diferentes são combinados — tipicamente com um filtro de Kalman estendido (EKF) — para estimar ao mesmo tempo posição, velocidade, atitude e até os vieses dos sensores.

O EKF divide o trabalho: prever rapidamente com a IMU, corrigir lentamente com todo o resto. O que importa é se ele consegue detectar um sensor que mente e rejeitá-lo. Se o GNSS salta por multicaminho sob uma ponte, ou a bússola é desviada por vigas de aço, e o filtro continua confiando neles, a aeronave pode derivar direto para a estrutura. Veja ambientes sem GNSS, perturbação magnética e o próximo capítulo, sobre navegação.

Para aprender desde o início o que o GNSS, o barômetro e a bússola contribuem cada um, veja uma lição introdutória sobre como um drone sabe onde está (Tobira, em japonês).

Com vento, um drone mantém a posição inclinando-se contra o vento. Quanto mais forte o vento, maior a inclinação e mais empuxo vai para o lado — sobrando menos margem para subir ou girar e esgotando a bateria mais depressa. O “vento máximo” declarado pelo fabricante é uma referência para manter a atitude em ar livre, não uma promessa de que ele consegue fotografar perto de uma estrutura em escoamento turbulento.

As estruturas desviam, separam e desprendem o vento em vórtices. Atrás de pilares, nas quinas de edifícios e a sotavento de torres de turbinas, as rajadas mudam de direção abruptamente. A aeronave precisa medir a deriva antes de poder corrigi-la, então há sempre um atraso — e a distância que ela deriva durante esse atraso define o afastamento mínimo da estrutura. Veja vento e turbulência.

O mesmo vento parece diferente do ponto de vista de quem transporta carga. Compare com como pairar e o vento consomem o alcance de entrega (Airffic Logistics).

Quando um piso, teto ou parede está perto dos rotores, o escoamento do ar muda e o empuxo também. A inspeção é, por natureza, aproximar-se de estruturas, então isso não pode ser evitado.

Um multirrotor consome energia só para se manter no ar. A potência de pairar cresce mais rápido do que o peso, então acrescentar bateria também acrescenta a potência necessária para erguer essa bateria — um dilema embutido. As baterias de lítio armazenam muito menos energia por quilograma do que o combustível, e os multirrotores de inspeção típicos voam, no máximo, por dezenas de minutos.

• Frio: temperaturas baixas reduzem a potência disponível e causam quedas súbitas de tensão. Aqueça as baterias antes da decolagem. Frio e congelamento
• Vento e peso: vento forte, cargas pesadas e subidas frequentes esgotam a bateria mais rápido que a estimativa.
• O caminho de volta: em áreas com GNSS fraco ou no fundo de estruturas, o retorno demora mais. Defina os limiares de reserva pelo que é preciso para voltar.
• Saúde da bateria: a capacidade diminui com os ciclos e o armazenamento. Mantenha um registro por bateria.

Se você quer números sobre por quanto tempo uma determinada carga útil e bateria o manterão no ar antes de escolher uma aeronave de inspeção, pode estimar o tempo de pairar a partir da massa da aeronave e da bateria (Airffic Architect). Os resultados vêm de um modelo de coeficientes, não de uma medição em bancada de empuxo, então mantenha as duas coisas separadas.

Uma aeronave de asa fixa gera sustentação a partir da velocidade de avanço (sustentação = ½ × densidade do ar × velocidade² × área da asa × coeficiente de sustentação). Ela não precisa de rotores girando só para se manter no ar, por isso voa muito mais longe com a mesma energia — ideal para ativos lineares com dezenas de quilômetros, como dutos, linhas de transmissão, ferrovias e diques. Mas não consegue parar e se aproximar.

Voar linhas longas quase sempre significa operações além da linha de visada (BVLOS). A barreira costuma ser a coordenação do espaço aéreo e os procedimentos operacionais, mais do que a aeronave em si — continua em operações remotas e BVLOS.