Este drone pode voar, flutuar e rolar para se locomover

Este artigo faz parte de nossa série exclusiva IEEE Journal Watch em parceria com IEEE Xplore.

Em vez de um robô autônomo para voar, outro para dirigir em terra e mais um para navegar na água, um novo drone híbrido pode fazer todos os três. Para realizar missões complexas, os cientistas estão cada vez mais experimentando drones que podem fazer mais do que apenas voar.

A ideia de um drone capaz de navegar por terra, ar e mar surgiu quando pesquisadores do Centro Árabe de Ciências Climáticas e Ambientais (ACCESS) da Universidade de Nova York em Abu Dhabi notaram que gostariam de um drone “capaz de voar para locais potencialmente remotos e coletar amostras corpos d’água”, diz o principal autor do estudo, Dimitrios Chaikalis, doutorando na NYU Abu Dhabi.

A pesquisa ambiental muitas vezes “depende de coletas de amostras em áreas de difícil acesso”, diz Chaikalis. “Os veículos voadores podem navegar facilmente para essas áreas, ao mesmo tempo que são capazes de pousar na água e navegar na superfície permite a amostragem por longas horas com consumo mínimo de energia antes de voar de volta à sua base.”

O novo veículo autônomo é um tricóptero com três pares de rotores para vôo, três rodas para deslocamento em terra e dois propulsores para ajudá-lo a se mover na água. As rodas de borracha foram impressas em 3D diretamente ao redor do corpo da estrutura da roda principal, eliminando a necessidade de parafusos metálicos e rolamentos de esferas, que correriam o risco de ferrugem após a exposição à água. A máquina inteira pesa menos de 10 quilos, para cumprir as regulamentações sobre drones.

Um corpo flutuante de isopor cortado à máquina foi colocado entre a parte superior da máquina, que segura os rotores, e sua parte inferior, que segura as rodas e propulsores. Esse dispositivo de flutuação servia como casco da máquina na água e tinha o formato de um trevo para deixar espaço para o fluxo de ar dos rotores.

“O veículo resultante é capaz de atravessar todos os meios disponíveis – ar, água, solo – o que significa que você pode eventualmente implantar veículos autônomos capazes de superar dificuldades e obstáculos cada vez maiores”, diz Chaikalis.

O drone possui dois sistemas de piloto automático PX4 de código aberto: um para o ar e outro para navegação terrestre e aquática. “A navegação aérea difere muito da navegação terrestre ou de superfície aquática, que na verdade apresentam muitas semelhanças entre si”, diz Chaikalis. “Por isso, projetamos a navegação terrestre e aquática para que ambas funcionassem com o mesmo piloto automático, alterando apenas a potência do motor para cada caso.”

Um computador Intel NUC serviu como módulo de comando. O computador pode alternar entre os dois pilotos automáticos conforme necessário, bem como fazer interface com um transceptor de rádio e GPS. Todos esses componentes eletrônicos foram protegidos dentro de uma caixa de plástico à prova d'água.

“É claro que você também precisa de motores à prova d’água para as rodas dos veículos terrestres, já que elas ficarão totalmente submersas quando estiverem na água”, diz Chaikalis. “Esses motores se mostraram difíceis de interagir com unidades de piloto automático comerciais, então acabamos projetando também hardware e firmware personalizados para fazer a interface dessas comunicações.”

O drone pode operar sob controle de rádio ou de forma autônoma em missões pré-programadas. Suas baterias de polímero de lítio proporcionam um tempo de vôo de 18 minutos.

Em experimentos, o casco de isopor absorveu água durante a flutuação, aumentando seu peso em 20% em 30 minutos. O isopor liberou essa água durante o vôo, embora lentamente, com perda de peso de 20% após 100 minutos. Os cientistas observam que esta variação significativa no peso precisa ser levada em conta no projeto do piloto automático, ou poderiam adicionar um revestimento resistente à água, embora isso aumentasse permanentemente o peso total.

Além disso, “embora seja à prova d’água contra respingos e submersão leve, este ainda não é um projeto totalmente submersível, o que significa que uma falha do dispositivo de flutuação pode ser potencialmente catastrófica”, diz Chaikalis.

No futuro, os pesquisadores observam que poderão otimizar o casco para torná-lo forte o suficiente para suportar manobras complexas e minimizar a resistência do ar durante o voo. Eles também gostariam de tornar o drone totalmente modular para que pudessem alterar facilmente suas capacidades anexando ou desconectando módulos dele.