Análise do design do mini drone quadricóptero

Drone, Eletrônica, Design de produto, Desenvolvimento de produto, Prototipagem, Design centrado no usuário

Quando a leveza não é apenas uma otimização de custos, mas o principal critério para o funcionamento do produto. É possível fazer um tanque militar voar? Ou como entrar no ciclo virtuoso de criar uma estrutura leve que permita a inclusão de componentes menores? motor, que permite colocar baterias menores, que permite (&8230;).

É também um ótimo exemplo de como usar componentes intercambiáveis já existentes para alcançar custos muito baixos para o consumidor.

{trecho de avaliação|Hubsan|http://www.hubsan.com}

Quando se trata de um brinquedo voador, cada grama conta. E quando o objetivo é torná-lo o mais barato possível, os projetistas precisam usar componentes disponíveis no mercado de forma inteligente.

Projeto

A caixa já foi concebida de forma minimalista: duas simples faixas elásticas para segurar o produto com segurança, mas fáceis de colocar e retirar.

O corpo principal do helicóptero

The pcb is the frame — A placa de circuito impresso é a estrutura.

Um produto com um design muito bonito.

A estrutura principal é alcançada simultaneamente:

A estrutura física do helicóptero dispensa qualquer outra montagem. O corte CNC permite um formato avançado, possibilitando o esvaziamento dos 4 braços e, consequentemente, reduzindo ainda mais o peso.
A estrutura é a própria placa de circuito impresso! que permite que todos os componentes eletrônicos sejam soldados diretamente nele, evitando a fixação de uma placa de circuito impresso separada; Permite também rotear os dois polos dos 4 motores diretamente nos 4 braços da estrutura sem a necessidade de fios adicionais (exceto os que estão diretamente no motor - leia a sugestão sobre isso abaixo).
uma saliência da placa de circuito impresso (PCB) é ao mesmo tempo o conector de alimentação. Para garantir uma conexão correta com polaridade positiva/negativa, o poka-yoke Trata-se apenas de um resistor CMS montado em um dos lados, evitando assim erros do usuário. Este resistor é montado da mesma forma que os outros componentes eletrônicos na placa.

Resistor as poka yoke — um resistor como poka-yoke

A outra ideia genial é a escolha de um Motor padrão de tamanho micro usado na indústria de telefonia..

Fabricados sob encomenda, esses motores custariam uma fortuna, mas como são usados como atuadores vibratórios em grande escala, esses motores disponíveis no mercado não são apenas muito confiáveis, mas também muito baratos.

Leds for front & back — LEDs para frente e para trás

Quatro LEDs, dois vermelhos e dois azuis, são posicionados nas extremidades do braço para auxiliar o piloto a distinguir a frente da traseira do drone durante o voo, visto que o drone possui um formato geral circular. Esses LEDs são simplesmente conectados em paralelo ao motor, evitando assim a necessidade de roteamento adicional na placa de circuito impresso.

A bateria é fixada no circuito impresso com fita dupla face e posteriormente envolvida pela tampa principal.

Thin protecting frame — moldura protetora fina

Estrutura de proteção da lâmina

Feita de forma leve e flexível, a estrutura foi projetada para proteger os dedos do usuário das lâminas e as lâminas de qualquer impacto contra o ambiente durante a fase de aprendizado do piloto.

Esta é a peça injetada mais fina deste produto; são necessários 6 extratores por círculo para retirar a peça do molde.

gaiola do motor

Plastic motor cage — Gaiola de motor de plástico

Uma obra de arte em termos de design para se obter um molde de apenas duas partes (basta seguir a linha de partição!).

As margens de corte permitem uma tolerância de 15 mm:

a gaiola ao redor do motor + 2 presilhas na parte superior, que fixam o motor após a inserção
4 batentes ao redor da placa de circuito impresso + 2 clipes
um pino inferior, que fornece ao motor tanto passagens de ventilação quanto espaço livre para os fios.
2 'pés' na parte inferior, servindo como apoio para aterrissagem (realmente necessário? Hipótese: possivelmente serviam para permitir uma passagem diferente para os fios.)

Tampa do corpo principal

Injeção de plástico de altíssima qualidade, com design vazado que atinge 4 objetivos:

Design visual agradável, com formas técnicas.
Segurando a bateria e protegendo os componentes tanto dos dedos do usuário quanto de possíveis choques durante (o fim do) voo.
Espaço para ventilação dos componentes eletrônicos, incluindo a bateria.
permitindo um projeto de molde de 1 movimento

Controle remoto

Obviamente, houve menos esforço de design e otimização neste caso. Simplesmente cumpre sua função para esse nível de preço.

Puramente funcional e não projetado para resistir a chocolates.

Seu tamanho é realmente o mínimo necessário para ser segurado corretamente por duas mãos adultas.

O corpo é composto por 3 partes básicas, incluindo a tampa da bateria. As funções incluem os 2 joysticks típicos para serem controlados pelos polegares.

Conclusão

Nota 10! Uma ótima demonstração de escolha inteligente de componentes, análises de valor para reduzir tudo ao mínimo e design em plástico. Sem falar do excelente trabalho de injeção para peças e estruturas tão finas e deformáveis.

Provavelmente, o processo de projeto começou com o micromotor disponível (ver artigo com base nisso) e o resto sendo adaptado em torno disso, ou seja, o tamanho geral do quadro e a escolha da bateria.

Tudo isso permitindo, até onde sabemos, o menor brinquedo de drone produzido em massa, mas ainda mantendo um produto barato e realmente acessível.

Possíveis melhorias?

Compatível com essa faixa de preço e segmento de mercado de brinquedos, vemos apenas modelos muito pequenos:

Ajustar ligeiramente o formato das pernas da estrutura da placa de circuito impresso para que fiquem mais uniformes e alinhadas ao corpo; uma melhoria ainda maior seria conectar os 4 braços por um caminho circular, tornando o drone mais rígido, ao custo de uma otimização não tão boa do posicionamento da placa de circuito impresso na área total da folha e consequentes perdas de material da placa.
Algumas peças de indexação de plástico na gaiola do motor e seu encaixe fêmea na placa de circuito impresso servem para evitar que a gaiola do motor gire.
Uma possível melhoria na produção: se os motores fossem posicionados na placa de circuito impresso (PCB) em vez de no plano mediano, seria necessário um redesenho completo da estrutura, e os dois pinos do motor poderiam ser conectados diretamente na PCB com soldagem de componentes de furo passante, eliminando completamente os 8 fios e a soldagem manual associada. A rigidez e o design típico geral do quadricóptero ainda precisam ser confirmados.

Possíveis inovações?

À medida que o preço dos componentes pequenos diminui, próxima geração Poderia incluir sensores de altura e distância lateral para facilitar o controle da altura e o desvio de obstáculos para pilotos iniciantes ou em corridas de alta velocidade?

Alguns laboratórios de pesquisa já demonstraram uma incrível cooperação entre drones em voo. Combinado com a sugestão de sensor acima, este drone poderia se tornar uma ótima plataforma para projetos "faça você mesmo" e conquistar uma enorme base de clientes adicional por ser programável (algum chip programável via USB de código aberto + um conector USB um pouco maior).

Glossário de termos utilizados

Computer Numerically Controlled (CNC): Um processo de fabricação que utiliza software de computador programado para controlar máquinas-ferramenta, permitindo operação precisa e automatizada para tarefas como corte, fresagem, perfuração e gravação de materiais.

Contract Manufacturer (CM): Uma empresa que produz bens para outra, geralmente seguindo especificações de design e qualidade específicas. Esse tipo de acordo permite que a empresa contratante se concentre em suas competências essenciais, como marketing e desenvolvimento de produtos, enquanto terceiriza os processos de fabricação.

Printed Circuit Board (PCB): Uma placa plana feita de material isolante que suporta e conecta componentes eletrônicos através de caminhos condutores, geralmente gravados em folhas de cobre. Ela serve como base para a montagem de circuitos e facilita as conexões elétricas entre os componentes.

Tópicos abordados: Quadricóptero, mini drone, design leve, otimização de custos, componentes disponíveis no mercado, estrutura de PCB, corte CNC, motor de tamanho micro, poka-yoke, LEDs, posicionamento da bateria, custos para o consumidor, design de produto, componentes eletrônicos, roteamento do motor, estrutura da armação, tanque militar, ciclo virtuoso ISO 9001, ISO 14001, ISO/IEC 27001, ISO 45001 e ISO 50001.

Contexto histórico

Sistema laser de bloqueio de modos em um laboratório de óptica moderno.

Bloqueio de modo (lasers)

O bloqueio de modos é uma técnica para produzir pulsos de laser extremamente curtos, da ordem de picossegundos (10⁻¹² s) a femtosegundos (10⁻¹⁵ s). Funciona forçando os diversos modos longitudinais da cavidade do laser a oscilarem com uma relação de fase fixa. Isso faz com que os modos interfiram construtivamente, criando um único pulso ultracurto e intenso que circula na cavidade.

Síntese de nanomateriais de cima para baixo

A síntese de cima para baixo envolve a criação de nanomateriais a partir de um material em grande escala, que é então fragmentado ou padronizado em nanoescala. As principais técnicas incluem métodos mecânicos, como moagem de bolas, e métodos litográficos, como fotolitografia, litografia por feixe de elétrons e litografia por nanoimpressão. Esses métodos são frequentemente usados para criar superfícies estruturadas e circuitos integrados, mas podem apresentar imperfeições superficiais.

Sistema de armazenamento de energia por volante em aplicações de mecânica industrial.

Armazenamento de energia por volante (FES)

O armazenamento de energia por volante (FES, na sigla em inglês) funciona acelerando um rotor (volante) a uma velocidade muito alta e mantendo a energia no sistema como energia cinética rotacional. A energia armazenada é proporcional ao quadrado da velocidade de rotação. Quando a energia é extraída, a rotação do volante diminui. A fórmula para a energia armazenada é (E = frac{1}{2} I omega^2), onde I é o momento de inércia e ω é a velocidade angular.

Componentes eletrônicos moleculares em um ambiente de laboratório, incluindo fios e interruptores moleculares.

Eletrônica Molecular

A eletrônica molecular explora o uso de moléculas individuais ou conjuntos moleculares em nanoescala como componentes eletrônicos fundamentais. Essa abordagem visa construir circuitos no limite máximo da miniaturização, muito além da tecnologia tradicional baseada em silício. Os principais componentes incluem fios moleculares, interruptores e retificadores, que aproveitam propriedades da mecânica quântica, como o tunelamento de elétrons através de orbitais moleculares, para seu funcionamento.

Engenheiros analisando componentes microeletrônicos quanto à fadiga térmica e eletromigração.

Física da Falha (PoF)

A Física da Falha (PoF, na sigla em inglês) é uma abordagem de engenharia de confiabilidade que utiliza o conhecimento da ciência dos materiais e da física para compreender e modelar os mecanismos causadores de falhas. Em vez de se basear puramente em dados estatísticos de falhas passadas, ela se concentra na previsão de falhas por meio da análise dos processos físicos (por exemplo, fadiga, corrosão, fluência) que levam à degradação e à ruptura.

Análise laboratorial de pontos quânticos demonstrando o efeito de confinamento quântico na física de semicondutores.

Efeito de tamanho quântico em nanomateriais

O Efeito de Tamanho Quântico descreve o fenômeno em que as propriedades eletrônicas e ópticas de um material mudam à medida que seu tamanho se aproxima da nanoescala. Quando as dimensões de um material se tornam comparáveis ao comprimento de onda de De Broglie do elétron, ocorre o confinamento quântico. Isso quantiza os níveis de energia do elétron, levando a uma lacuna de banda dependente do tamanho, (E_g(R) approx E_{g,bulk} + frac{hbar^2pi^2}{2R^2}(frac{1}{m_e^*} + frac{1}{m_h^*})).

Higrômetro de alta precisão em laboratório para medir fatores de aumento da pressão de vapor.

Fator de aumento da pressão de vapor

A pressão de vapor de equilíbrio da água sobre uma superfície líquida no ar úmido ((p^*_{H_2O,a})) é ligeiramente maior que a pressão de vapor de equilíbrio sobre uma superfície de água pura ((p^*_{H_2O})). Essa diferença é quantificada pelo fator de intensificação do vapor de água, (f_w), que depende da temperatura e da pressão do ar úmido. A relação é (p^*_{H_2O,a} = f_w(T, p_{ms}) cdot p^*_{H_2O}).

1965

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1974-11-15

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Análise laboratorial de fósforos de vanadato de ítrio dopados com európio para aplicações em televisores a cores.

Fósforos de európio para televisores a cores

A descoberta de que o vanadato de ítrio dopado com európio (YVO₄:Eu³⁺) poderia funcionar como um fósforo vermelho brilhante foi um avanço crucial para a televisão a cores. Antes disso, os fósforos vermelhos eram fracos, resultando em cores opacas. A intensa emissão vermelha de banda estreita do íon Eu³⁺ permitiu a criação de telas com cores vibrantes e brilhantes, melhorando drasticamente a qualidade da TV a cores e estabelecendo o padrão para a tecnologia de telas.

Curvas de Bézier

Desenvolvido pelo engenheiro francês Pierre Bézier para a Renault na década de 1960, o UNISURF foi um dos primeiros sistemas CAD/CAM 3D verdadeiros. Sua principal inovação foi o uso do que hoje conhecemos como curvas e superfícies de Bézier. Essas curvas paramétricas são definidas por um conjunto de pontos de controle, permitindo a criação intuitiva e matemática de formas complexas e livres para carrocerias.

Receptor GPS que exibe sinais de satélite e medições de distância em física de ondas de rádio.

Princípio de trilateração do GPS

O GPS determina a posição de um receptor usando trilateração. Medindo a distância até pelo menos três satélites, o receptor consegue localizar sua posição na superfície da Terra. A distância é calculada multiplicando-se o tempo de percurso do sinal pela velocidade da luz. Um quarto satélite é necessário para sincronizar o relógio do receptor, resolvendo as quatro incógnitas: latitude, longitude, altitude e tempo.

Sistema de armazenamento de energia magnética supercondutora em laboratório para aplicações em física do estado sólido.

Armazenamento de energia magnética supercondutora (SMES)

Os sistemas de armazenamento de energia magnética supercondutora (SMES) armazenam energia no campo magnético criado pelo fluxo de corrente contínua em uma bobina supercondutora. A energia pode ser armazenada indefinidamente, desde que a bobina seja mantida em temperaturas supercondutoras, pois praticamente não há perda de energia devido à resistência elétrica. A energia armazenada é dada por (E = frac{1}{2} LI^2).

Técnico de laboratório medindo o índice de brancura de tecidos usando espectrofotômetro em colorimetria.

Índice de Brancura de Ganz-Griesser

O índice de brancura de Ganz-Griesser é uma fórmula linear amplamente utilizada, particularmente na indústria têxtil. É derivado dos valores triestímulo CIE e definido como (W_{GG} = Y - Px - Qy + C), onde P, Q e C são constantes específicas para a fonte de luz e o observador. Para a condição D65/10°, a fórmula é (W_{GG} = Y - 1868,322x - 3695,690y + 1809,441).

Processo de desmontagem de baterias de íon-lítio em laboratório de eletroquímica.

Mecanismo de intercalação de íons de lítio

As baterias de íon-lítio funcionam por meio de um mecanismo de intercalação, uma inserção reversível de íons em um material hospedeiro em camadas. Durante a descarga, os íons de lítio (Li⁺) se desintercalam de um eletrodo negativo (ânodo), tipicamente grafite, e se movem através de um eletrólito não aquoso para se intercalarem em um eletrodo positivo (cátodo), tipicamente um óxido metálico. Os elétrons viajam pelo circuito externo, criando corrente.

Interface do sistema de gerenciamento de bateria exibindo as métricas de profundidade de descarga para veículos elétricos.

Profundidade de descarga (DoD)

A Profundidade de Descarga (DoD) indica a porcentagem da capacidade de uma bateria que foi descarregada. É o inverso do Estado de Carga (SoC), onde 100% de DoD significa que a bateria está completamente descarregada. A vida útil de uma bateria depende muito da sua DoD média; ciclos com DoD mais baixa (por exemplo, descarregar até apenas 80% da capacidade) aumentam significativamente o número de ciclos que uma bateria pode suportar.

Engenheiros montando sistemas microeletromecânicos em um ambiente de sala limpa.

Leis de escala de MEMS

As leis de escala dos MEMS descrevem como as forças e propriedades físicas mudam à medida que as dimensões do dispositivo diminuem para a microescala. Ao contrário do mundo macroscópico, dominado pela gravidade e inércia, os microdomínios são governados por forças de superfície, como tensão superficial, viscosidade e forças eletrostáticas. Por exemplo, a força gravitacional escala com o volume (L³), enquanto a força eletrostática escala com a área (L²), tornando-se relativamente mais forte em tamanhos menores.

(Caso a data seja desconhecida ou irrelevante, por exemplo, "mecânica dos fluidos", é fornecida uma estimativa aproximada de seu surgimento notável)