BR202019023570U2

BR202019023570U2 - unmanned aerial vehicle powered by flexible solar panels and battery

Info

Publication number: BR202019023570U2
Application number: BR202019023570-0U
Authority: BR
Inventors: 6º § 4º da LPI e item 1.1 do Ato Normativo nº 127/97 Art.
Original assignee: Ases - Athena Sociedade De Engenharia E Ciência Ltda; Gabriel Antônio Martins Pereira De Melo,; André Rezende Dessimoni Carvalho,; José Antônio Ferreira Borges; Marcelo Braga Dos Santos; Roberto Martins De Castro Neto; Rogério Marques Rodrigues Filho,; Alvaro Daniel Herrera Arroyo
Priority date: 2019-11-08
Filing date: 2019-11-08
Publication date: 2021-05-25

Abstract

A seguinte invenção compreende produto industrial caracterizado por fuselagem (1) foi otimizada de forma a gerar o menor arrasto possível ao mesmo tempo que se mantém rígida o suficiente para sustentar os equipamentos utilizados para o voo, para a aquisição de imagem e o motor. Desta forma o perfil e as dimensões da asa (2), foram otimizados para que haja uma sustentação adequada ao funcionamento da aeronave e não exijam uma elevada área de painel solar (3). A empenagem vertical (4) e a empenagem horizontal (5) foram desenhadas e posicionadas para que a aeronave seja naturalmente estável, isto é, diante perturbações aerodinâmicas a aeronave se estabiliza com o menor esforço de comando. O motor da aeronave e a hélice utilizada (6) também foram otimizados para proporcionar o empuxo necessário com o menor consumo possível de energia elétrica, com aplicação em plantações de grandes e pequenos hectares, bem como, em áreas de grandes extensões em quilômetros, possuindo características como a versatilidade, modularidade, autonomia de voo de aproximadamente 8 (oito) horas; raio de alcance maior que 40 (quarenta) quilômetros; velocidade de voo superior à 50 km/h; fotogrametria de alta resolução; área coberta superior a 40 mil hectares em um único voo com baixa resolução de imagem ou 4 mil hectares com alta resolução de imagens e; capacidade de ser arremessado manualmente.

The following invention comprises an industrial product characterized by a fuselage (1) that was optimized in order to generate the least possible drag while remaining rigid enough to support the equipment used for flight, image acquisition and the engine. Thus, the profile and dimensions of the wing (2) were optimized so that there is adequate support for the operation of the aircraft and do not require a large area of solar panel (3). The vertical empennage (4) and the horizontal empennage (5) were designed and positioned so that the aircraft is naturally stable, that is, in the face of aerodynamic disturbances, the aircraft stabilizes with the least effort of command. The aircraft engine and the propeller used (6) were also optimized to provide the necessary thrust with the lowest possible consumption of electricity, with application in plantations of large and small hectares, as well as in areas with large extensions in kilometers, having features such as versatility, modularity, flight autonomy of approximately 8 (eight) hours; range radius greater than 40 (forty) kilometers; flight speed greater than 50 km/h; high resolution photogrammetry; covered area exceeding 40 thousand hectares in a single flight with low image resolution or 4 thousand hectares with high image resolution and; ability to be thrown manually.

Description

UNMANNED AIR VEHICLE POWERED BY FLEXIBLE SOLAR PANELS AND BATTERY

[001] A presente invenção trata-se de um produto industrial que tem por objetivo um modelo de veículo aéreo não tripulado alimentado por painéis solares flexíveis e bateria, com aplicação para uso de captura de imagens em plantações com grandes ou pequenas extensões de hectares, bem como, áreas de grande extensão em quilômetros com foco na melhora de sua utilização e eficiência em relação aos similares já existentes.[001] The present invention is an industrial product that aims at a model of unmanned aerial vehicle powered by flexible solar panels and battery, with application for image capture use in plantations with large or small tracts of hectares, as well as large areas in kilometers with a focus on improving their use and efficiency in relation to similar ones that already exist.

[002] Atualmente, as tecnologias de veículos aéreos não tripulados tem limitações metodológicas conforme apresentado no pedido de patente de invenção de nº WO 2019/075008 A1, onde os autores propõem uma metodologia de cálculo capaz de obter uma trajetória ótima para os VANTs considerando as condições de voo e principalmente o consumo de energia que deve ser sempre o menor possível.[002] Currently, unmanned aerial vehicle technologies have methodological limitations as presented in the patent application No. WO 2019/075008 A1, where the authors propose a calculation methodology capable of obtaining an optimal trajectory for UAVs considering the flight conditions and especially the energy consumption which must always be as low as possible.

[003] No entanto, há uma limitação na metodologia proposta quando o VANT é aplicado no levantamento de mapa aerofotogramétricos, nestas aplicações o percurso a ser percorrido não pode ser alterado dada a necessidade imposta pelos algoritmos de montagem destes mapas.[003] However, there is a limitation in the proposed methodology when the UAV is applied in the aerial photogrammetric map survey, in these applications the route to be covered cannot be changed given the need imposed by the assembly algorithms of these maps.

[004] No pedido de patente de nº BR 202016013900-2 U2 são mencionadas características consideradas como o estado da técnica do desenvolvimento de VANTs com voo por apenas 45 minutos, a capacidade de transportar apenas uma câmera, a fragilidade da estrutura e a pouca resistência ao pouso em locais não adequadas como pisos abrasivos. Enumera-se também que em aplicações de VANTs para a agricultura se faz necessário o voo em condições adversas como sob forte ventos, pouso e decolagem em espaços reduzidos ou ainda em solos úmidos e abrasivos.[004] In the patent application No. BR 202016013900-2 U2 are mentioned characteristics considered as the state of the art for the development of UAVs with flight for only 45 minutes, the capacity to carry only one camera, the fragility of the structure and the low resistance when landing on unsuitable places such as abrasive floors. It is also listed that in UAV applications for agriculture, it is necessary to fly in adverse conditions such as strong winds, landing and take-off in small spaces or even on wet and abrasive soils.

[005] O pedido de patente de nº BR 102016010750-4 A2 demonstra a preocupação com a versatilidade no processo construtivo de DRONES e VANTs. No entanto, a proposta apresentada não se preocupa com aspectos inerentes a aviação como a otimização da aerodinâmica, o posicionamento e o tipo de motorização, o consumo de combustível ou de bateria e ainda não menciona nada sobre a necessidade de resistência do VANT construído a partir da solução apresentada.[005] Patent application No. BR 102016010750-4 A2 demonstrates the concern with the versatility in the constructive process of DRONES and UAVs. However, the proposal presented is not concerned with aspects inherent to aviation such as the optimization of aerodynamics, positioning and type of engine, fuel or battery consumption, and still does not mention anything about the need for resistance of the UAV built from of the presented solution.

[006] No pedido de patente de nº BR 132017016148-9 E2 há menção a necessidade de carregamento da bateria dos drones de forma automática, no entanto, esta preocupação se limita ao carregamento para um DRONE pousado em uma base automatizada.[006] In patent application No. BR 132017016148-9 E2 there is mention of the need to charge the drones battery automatically, however, this concern is limited to charging to a DRONE landed on an automated base.

[007] Como é de conhecimento do estado da técnica os veículos aéreos não tripulados, (VANTS), ou os denominados DRONES, atualmente possuem sistema de propulsão elétrico, a combustão ou híbrido, quando são combinados os sistemas a combustão e elétrico.[007] As it is known in the state of the art, unmanned aerial vehicles (VANTS), or so-called DRONES, currently have an electric, combustion or hybrid propulsion system, when combustion and electric systems are combined.

[008] Os VANTS com propulsão a combustão apresentam, como grande desvantagem, o consumo de combustível e o alto custo dos motores. Os veículos que utilizam propulsão elétrica, possuem, como principal desvantagem, a capacidade de carga da bateria que limita a autonomia de voo.[008] The VANTS with combustion propulsion present, as a major disadvantage, the fuel consumption and the high cost of the engines. Vehicles that use electric propulsion have, as their main disadvantage, the battery charge capacity, which limits flight autonomy.

[009] Já o motor de solução hibrida, alimentado pela combustão e propulsão elétrica, utiliza-se da combustão para gerar energia elétrica, que alimenta em paralelo, um banco de bateria menor e os possíveis motores elétricos, apresentando ainda como desvantagem o alto consumo de combustível.[009] The hybrid solution engine, powered by combustion and electric propulsion, uses combustion to generate electrical energy, which feeds in parallel, a smaller battery bank and possible electric motors, with the disadvantage of high consumption of fuel.

[010] Com o intuito de solucionar tais problemas desenvolveu-se a presente invenção sendo um modelo de veículo não tripulado, fundamentou sua solução na utilização de uma estrutura adequada, que suporte o projeto elétrico desenvolvido, o projeto aerodinâmico e o software de controle de voo.[010] In order to solve such problems, the present invention was developed as an unmanned vehicle model, based its solution on the use of an adequate structure, which supports the developed electrical design, aerodynamic design and control software. flight.

[011] Aliados ao objetivo, o veículo aéreo não tripulado prevê asa fixa, projetada para a utilização de painéis solares flexíveis, altamente leve e eficiente.[011] Allied to the objective, the unmanned aerial vehicle foresees a fixed wing, designed for the use of flexible solar panels, highly light and efficient.

[012] O circuito elétrico projetado, acoplado ao VANT, é capaz de extrair o máximo de energia desta fonte, a fim de alimentar, por um longo período, motores (propulsor e de controle da aeronave), controladores e periféricos. Além dos painéis solares, o veículo aéreo não tripulado conta com uma bateria de Íon Lítio, para seu auxílio energético.[012] The designed electrical circuit, coupled to the UAV, is capable of extracting the maximum energy from this source, in order to feed, for a long period, engines (propeller and aircraft control), controllers and peripherals. In addition to the solar panels, the unmanned aerial vehicle has a Lithium Ion battery for its energy assistance.

[013] A combinação dos painéis solares associados a bateria, dão a possibilidade do veículo aéreo não tripulado atuar de três formas distintas. Logo, poderá atuar com o painel solar como protagonista, carregando a bateria e sustentando os periféricos, sem o auxílio do painel solar ou com a atuação simultânea do painel solar e bateria.[013] The combination of solar panels associated with the battery, give the possibility of the unmanned aerial vehicle to act in three different ways. Therefore, you will be able to act with the solar panel as the protagonist, charging the battery and supporting the peripherals, without the aid of the solar panel or with the simultaneous performance of the solar panel and battery.

[014] Neste sentido, os painéis conseguem, não só, suprir a demanda de energia do sistema propulsor, mas, também, carregar as baterias.[014] In this sense, the panels are able not only to supply the energy demand of the propulsion system, but also to charge the batteries.

[015] Como os painéis solares variam na produção de energia, a depender da irradiância solar e, as baterias não suportam toda a autonomia, o circuito elétrico inclui o conversor DC-DC MPPT (Maximum Power Point Tracker), que desempenha a função de rastreio de máxima potência do painel fotovoltaico em função da tensão da bateria, proporcionado maior rendimento do sistema.[015] As solar panels vary in energy production, depending on solar irradiance and the batteries do not support the entire autonomy, the electrical circuit includes the DC-DC MPPT converter (Maximum Power Point Tracker), which performs the function of tracking of maximum power of the photovoltaic panel as a function of battery voltage, providing greater system performance.

[016] O hardware e o software de controle de voo são capazes de ajustar a velocidade garantindo a maior autonomia da aeronave, estando continuamente monitorado nas fontes de potência (painel e bateria) para ajustar a velocidade de cruzeiro da aeronave, sempre, visando a velocidade mais adequada para voo e as condições instantâneas do fornecimento de energia.[016] The flight control hardware and software are able to adjust the speed ensuring the greatest autonomy of the aircraft, being continuously monitored on the power sources (panel and battery) to adjust the aircraft's cruise speed, always aiming at most suitable speed for flight and the instantaneous conditions of the power supply.

[017] Há monitoramento de três temperaturas, servindo de diagnóstico da saúde do sistema, permitindo a tomada de decisão para o acionamento de comandos emergenciais de retorno ou de pouso do veículo aéreo não tripulado. Para monitoramento do usuário, todas as informações provindas dos sensores podem ser enviadas via telemetria ou armazenadas para diagnóstico futuro de falhas.[017] There is monitoring of three temperatures, serving as a diagnosis of the health of the system, allowing decision making for the activation of emergency commands for return or landing of the unmanned aerial vehicle. For user monitoring, all information coming from the sensors can be sent via telemetry or stored for future fault diagnosis.

[018] Os circuitos presentes no veículo aéreo não tripulado foram projetados para suportar variações eletromagnéticas, de temperatura e vibrações de forma robusta, para que não sofram qualquer tipo de avaria e sejam menos susceptíveis a ruídos externos.[018] The circuits present in the unmanned aerial vehicle were designed to withstand electromagnetic variations, temperature and vibrations in a robust way, so that they do not suffer any type of damage and are less susceptible to external noise.

[019] Para tanto o veículo aéreo não tripulado alimentado por painéis solares flexíveis e bateria detém como característica a versatilidade, modularidade, autonomia de voo de aproximadamente 8 (oito) horas; raio de alcance maior que 40 (quarenta) quilômetros; velocidade de voo superior à 50 km/h; fotogrametria de alta resolução; área coberta superior a 40 mil hectares em um único voo com baixa resolução de imagem ou 4 mil hectares com alta resolução de imagens e; capacidade de ser arremessado manualmente.[019] For this purpose, the unmanned aerial vehicle powered by flexible solar panels and battery has the characteristic of versatility, modularity, flight autonomy of approximately 8 (eight) hours; range radius greater than 40 (forty) kilometers; flight speed greater than 50 km/h; high resolution photogrammetry; covered area exceeding 40 thousand hectares in a single flight with low image resolution or 4 thousand hectares with high image resolution and; ability to be thrown manually.

[020] Este projeto se trata de um veículo aéreo não tripulado de alto valor agregado para aplicação nas áreas de monitoramento com fins de segurança civil e militar, agricultura de precisão, uso na verificação da integridade estrutural de linhas de transmissão de energia e no acompanhamento de lavras em minas a céu aberto.[020] This project is an unmanned aerial vehicle of high added value for application in monitoring areas for civil and military security, precision agriculture, use in verifying the structural integrity of power transmission lines and in monitoring mining in open pit mines.

[021] Com a intenção de obter uma melhor compreensão das características da presente reivindicação, acompanha esta descrição um conjunto de desenhos exemplificativos, mas não limitativos.[021] In order to obtain a better understanding of the characteristics of the present claim, this description accompanies a set of exemplary, but not limiting, drawings.

[022] O veículo aéreo não tripulado é caracterizado pelas asas que possuem 2,1 metros de envergadura e 0,3 metros de comprimento de corda; 0,7 metros de empenagem horizontal, 0,6 metros de altura e 1,6 metros de comprimento. Ao fim de sua produção, o veículo aéreo não tripulado pesa 4 quilogramas.[022] The unmanned aerial vehicle is characterized by wings that have 2.1 meters of wingspan and 0.3 meters of rope length; 0.7 meters of horizontal empennage, 0.6 meters high and 1.6 meters long. At the end of its production, the unmanned aerial vehicle weighs 4 kilograms.

[023] Com referência ao desenho ilustrado anexo, o pedido de patente de modelo de utilidade se refere a um “VEÍCULO AÉREO NÃO TRIPULADO ALIMENTADO POR PAINÉIS SOLARES FLEXÍVEIS E BATERIA”, demonstrado da seguinte forma:
A fig.1 mostra o sistema construtivo para fins civis e militares em perspectiva superior;[023] With reference to the attached illustrated drawing, the utility model patent application refers to an "UN CREW AIR VEHICLE POWERED BY FLEXIBLE SOLAR PANELS AND BATTERY", shown as follows:
Fig.1 shows the constructive system for civil and military purposes in superior perspective;

[024] Em conformidade com o que ilustra a figura acima relacionada, o modelo de “VEÍCULO AÉREO NÃO TRIPULADO ALIMENTADOPOR PAINÉIS SOLARES FLEXÍVEIS E BATERIA” consiste de fuselagem (1) foi otimizada de forma a gerar o menor arrasto possível, ao mesmo tempo que se mantém rígida o suficiente, para sustentar os equipamentos utilizados para o voo, para a aquisição de imagem e o motor. Desta forma, o perfil e as dimensões da asa (2), foram otimizados para que haja uma sustentação adequada ao funcionamento da aeronave e não exijam uma elevada área de painel solar (3). A empenagem vertical (4) e a empenagem horizontal (5) foram desenhadas e posicionadas para que a aeronave seja naturalmente estável, isto é, diante de perturbações aerodinâmicas a aeronave se estabilize com o menor esforço de comando. O motor da aeronave e a hélice utilizada (6) também foram otimizados para proporcionar o empuxo necessário, com o menor consumo possível de energia elétrica.[024] In accordance with what is illustrated in the figure above, the model of "UN CREW AIR VEHICLE FED BY FLEXIBLE SOLAR PANELS AND BATTERY" consists of the fuselage (1) was optimized in order to generate the lowest possible drag, while at the same time it remains rigid enough to support the equipment used for the flight, for image acquisition and the engine. Thus, the profile and dimensions of the wing (2) were optimized so that there is adequate support for the operation of the aircraft and do not require a large area of solar panel (3). The vertical empennage (4) and the horizontal empennage (5) were designed and positioned so that the aircraft is naturally stable, that is, in the face of aerodynamic disturbances, the aircraft stabilizes with the least effort of command. The aircraft engine and the propeller used (6) were also optimized to provide the necessary thrust, with the lowest possible consumption of electrical energy.

Claims

Unmanned Aerial Vehicle Powered by Flexible Solar Panels and Battery characterized by being powered by flexible solar panels and battery.

The Unmanned Aerial Vehicle Powered by Flexible Solar Panels and Battery is characterized by having the components described in claim 1, and by being prepared by fuselage (1), it was optimized in order to generate the least possible drag while maintaining rigidity. sufficient to support the equipment used for the flight, for image acquisition and the engine, in this way the profile and dimensions of the wing (2) were optimized so that there is adequate support for the operation of the aircraft and do not require a high area of solar panel (3) the vertical empennage (4) and the horizontal empennage (5) were designed and positioned so that the aircraft is naturally stable, that is, in the face of aerodynamic disturbances, the aircraft stabilizes with the least effort of command; The aircraft engine and the propeller (6) were also optimized to provide the necessary thrust with the lowest possible consumption of electrical energy.

The Unmanned Aerial Vehicle Powered by Flexible Solar Panels and Battery is characterized by having the components described in claim 1, being prepared according to claim 2 and for use in plantations of large and small hectares and in areas with large extensions in kilometers.

The Unmanned Aerial Vehicle Powered by Flexible Solar Panels and Battery is characterized by having the components described in claim 1, being prepared according to claim 2, having use according to claim 3 and made to obtain flight autonomy of approximately 8 (eight) hours, range radius greater than 40 (forty) kilometers; flight speed greater than 50 km/h, high resolution photogrammetry; covered area of more than 40 thousand hectares in a single flight with low image resolution or 4 thousand hectares with high image resolution and ability to be launched manually.