Pesquisa e fundamentação técnica da arquitetura ideal de um complexo robótico de interceptação cinética (C-UAS) para proteção de veículos blindados contra drones FPV

No contexto do campo de batalha contemporâneo, caracterizado pelo uso massivo de drones FPV baratos, os meios tradicionais de proteção de veículos blindados demonstram eficácia insuficiente. Este relatório apresenta uma pesquisa abrangente, voltada para o desenvolvimento e fundamentação técnica da arquitetura de um complexo robótico de proteção ativa cinética (Counter-Unmanned Aerial System, C-UAS).

O relatório considera sequencialmente o contexto operacional-tático da ameaça, realiza uma análise comparativa dos possíveis meios de engajamento, fundamenta a escolha de soluções construtivas para a plataforma eletromecânica, complexo sensorial e arquitetura computacional. Atenção especial é dedicada aos algoritmos de software de detecção, rastreamento e interceptação de alvos, bem como às questões de integração do sistema na plataforma e à eficácia econômica da solução.

O resultado do trabalho é um modelo técnico-econômico detalhado de um módulo autônomo compacto e de alta velocidade, capaz de detectar, rastrear e engajar drones FPV em tempo real durante a aproximação ao objeto protegido, fechando o ciclo "detecção-engajamento" sem necessidade de intervenção da tripulação.

1.1. Transformação do Campo de Batalha e Crise da Proteção Tradicional

Os conflitos contemporâneos de baixa intensidade caracterizam-se pela transição para um modelo de combate assimétrico, distribuído e robotizado. Os drones FPV, originalmente aeronaves civis de corrida, transformaram-se em armas de alta precisão, capazes de infligir ataques pontuais em elementos críticos de veículos blindados: motor, torre, eletrônica embarcada, projeções superiores com blindagem fraca.

1.2. Perfil do Alvo: Características Cinemáticas e Físicas de um Drone FPV

Para o projeto de um complexo de interceptação eficaz, é necessária uma análise detalhada do perfil de um alvo típico. Um drone FPV representa um alvo difícil de engajar devido a uma série de características:

• Alta velocidade: 80–140 km/h (22–39 m/s).
• Assinatura radar mínima: dimensões 300x300x150 mm, estrutura de carbono.
• Alta manobrabilidade e aceleração: capacidade de mudanças bruscas no vetor de velocidade.
• Perfil acústico e térmico complexo: motores brushless de baixa potência.
• Altitude de voo extremamente baixa: operação em altitudes muito baixas (2–10 m), uso de dobras do terreno.

Conclusão para projeto do sistema: É necessário um sistema de detecção capaz de identificar um alvo de baixa detectabilidade a uma distância que garanta uma janela de tempo para giro da plataforma, aquisição, rastreamento e disparo. O tempo total de reação do sistema (ciclo OODA) deve ser inferior a 2 segundos.

2.1. Análise Comparativa: Arma de Alma Raiada vs. Arma de Alma Lisa

A análise mostrou que, para a tarefa de engajar um alvo de pequenas dimensões e alta manobrabilidade, sob restrições de massa, dimensões e recuo em uma plataforma móvel, uma arma de alma lisa calibre 12 é a escolha ideal.

2.2. Análise dos Tipos de Munição Calibre 12

A pesquisa de vários tipos de munição para armas de alma lisa permitiu determinar a munição mais eficaz para engajar drones.

Conclusão: A munição calibre 12 com chumbo nº1 (4.0 mm) representa o equilíbrio ideal entre densidade do padrão de dispersão, energia cinética retida por cada grão de chumbo a distâncias de até 80 m e adequação para uso em um sistema automatizado com alimentação por carregador.

2.3. Escolha da Plataforma de Arma

Com base na análise realizada, foi escolhida como plataforma base uma carabina/espingarda semiautomática para munição 12/76 com possibilidade de alimentação por carregador (tambor ou caixa com 5-10 cartuchos). Critérios: confiabilidade do mecanismo de ação em várias posições, compatibilidade com diversos tipos de munição, presença de trilhos de fixação padrão (trilho Picatinny) para integração com a plataforma articulada.

3.1. Análise dos Atuadores: Problema de Velocidade e Torque

A tarefa principal da mecatrônica — garantir uma velocidade de apontamento que exceda a velocidade angular do alvo. Para um drone FPV atacando de uma distância de 100 m, a velocidade angular necessária da plataforma pode atingir 2 rad/s (~115°/s).

3.1.1. Motores de Passo (Stepper Motors)

Vantagem na precisão de posicionamento e simplicidade de controle. Desvantagem: queda acentuada do torque em altas velocidades, fenômeno de ressonância e perda de passos. Inadequados para rastreamento de alta dinâmica.

3.1.2. Servoacionamentos e Redutores de Onda Harmônica (Strain Wave Gears)

Servoacionamentos comerciais com redutores (por exemplo, baseados em Harmonic Drive) fornecem alto torque com dimensões compactas. Problema: o redutor introduz folga (backlash), reduzindo a precisão de manutenção e rastreamento do alvo, além de perdas mecânicas.

3.1.3. Acionamento Direto (Direct Drive Brushless Motors)

Solução ideal para tarefas de apontamento de alta precisão e alta velocidade. A exclusão do redutor elimina folga, perdas mecânicas e aumenta a confiabilidade. Os modernos motores de torque sem redutor (Torque Motors) proporcionam dinâmica, precisão e capacidade de sobrecarga extremamente altas. Requerem o uso de motores de alto torque e algoritmos sofisticados de controle (FOC - Field Oriented Control).

3.2. Sistema de Mitigação de Recuo (Soft Recoil Mitigation)

Para manter a precisão de tiro em rajada e possibilitar a rápida reorientação após o disparo, é necessário um sistema de mitigação de recuo ativa ou passiva. Solução proposta: combinação de elementos elástico-amortecedores na fixação da arma à plataforma (mitigação passiva) com um algoritmo de compensação antecipada no acionamento baseado em dados do acelerômetro (estabilização ativa).

4.1. Plataforma de Computação de Borda (Edge AI)

O processamento do fluxo de vídeo, a execução de algoritmos de rede neural para detecção e rastreamento, o cálculo balístico e o controle dos atuadores devem ser realizados em tempo real a bordo do sistema. É necessária uma plataforma com alto desempenho em operações de cálculo inteiro (INT8) e consumo energético eficiente.

Escolha: O módulo NVIDIA Jetson Orin Nano representa o equilíbrio ideal entre desempenho, consumo energético, disponibilidade de ferramentas de desenvolvimento prontas (JetPack SDK, TensorRT, DeepStream) e suporte a periféricos.

4.2. Sistema Óptico

Sensor principal — uma câmera de alcance visível com obturador global (não rolling shutter) de grande angular (≥90° horizontal) para detecção do alvo durante a aproximação. Resolução 1920x1200 com frequência de pelo menos 60 FPS. Adicionalmente, para rastreamento preciso e determinação de distância, pode ser utilizada uma câmera de zoom de ângulo estreito em uma plataforma servo separada ou uma câmera estéreo.

4.3. Designação de Alvo por Radiofrequência (RF Cueing)

Para reduzir o tempo de reação e detectar o drone antes de sua aparição visual no campo de visão da câmera, propõe-se o uso de um radiogoniômetro passivo. Este subsistema escaneia as faixas de 900 MHz, 1.2 GHz, 2.4 GHz, 5.8 GHz (típicas para controle e transmissão de vídeo FPV), determina a direção da fonte e transmite os ângulos de azimute e elevação para o sistema óptico principal para um giro antecipado.

5.1. Detecção: Redes Neurais YOLO

Para detectar alvos de pequeno porte e rápidos, é utilizada uma versão otimizada da arquitetura de rede neural YOLO (You Only Look Once), por exemplo YOLOv8n ou uma YOLO-Fastest especialmente treinada. O modelo é treinado em um conjunto de dados contendo milhares de imagens de drones FPV sob vários ângulos, em diferentes condições climáticas e em fundos contrastantes. A inferência é realizada no TensorRT para máxima velocidade (objetivo > 30 FPS).

5.2. Rastreamento e Predição: Filtro de Kalman

Após a detecção, o alvo é passado para o algoritmo de rastreamento. O filtro de Kalman estendido (Extended Kalman Filter, EKF) é usado para estimar o vetor de estado do alvo (posição, velocidade, aceleração em coordenadas de pixel e angulares), filtrar ruídos de detecção e prever a posição do alvo para o tempo de voo do chumbo (time-to-flight).

5.3. Computador Balístico e Cálculo de Antecipação

Com base nas coordenadas previstas do alvo, na balística conhecida do cartucho escolhido (velocidade inicial do chumbo, coeficiente de arrasto balístico) e nas condições meteorológicas atuais (temperatura, pressão, vento, inseridos no sistema manualmente ou via sensor meteorológico), é calculado o ponto de mira com antecipação. O cálculo é realizado numericamente, considerando a não linearidade da queda de velocidade do chumbo.

5.4. Controle: Visual Servoing

Para uma pontaria precisa, é aplicado o método Visual Servoing (controle por feedback visual). O algoritmo calcula continuamente o erro entre a posição atual do alvo no quadro e o centro da mira, convertendo esse erro em tensões de controle para os atuadores da plataforma articulada. Isso permite que o sistema não apenas "alcance" o alvo, mas compense suas manobras em tempo real.

6.1. Fornecimento de Energia e Posicionamento

O complexo é projetado como um módulo autônomo, posicionado na torre ou casco do veículo blindado. A alimentação elétrica é fornecida pela rede de bordo do veículo (24/28 V) através de um conversor. A massa do protótipo final não deve exceder 50 kg para garantir uma carga aceitável no chassi e a possibilidade de montagem pela tripulação.

6.2. Modos de Operação

• Autônomo: Ciclo completo de detecção e engajamento sem participação do operador. Modo principal.
• Manual (sobreposição): O operador, através de um controle ou tablet, vê o fluxo de vídeo da câmera e pode selecionar o alvo, cancelar o ataque ou disparar manualmente.
• Em espera: O sistema realiza vigilância panorâmica circular, detecta e classifica alvos, mas não abre fogo sem comando.

6.3. Economia da Guerra

Aspecto chave. O custo de um drone FPV kamikaze varia de $300 a $1000. O custo de um cartucho calibre 12 é cerca de $1-5. Mesmo com uma probabilidade de engajamento P_acerto = 0.7, a supressão econômica de um ataque por um enxame de 10 drones será ordens de magnitude mais vantajosa do que a perda de uma unidade de veículo blindado no valor de $2 milhões ou mais. O sistema se paga a partir do primeiro ataque repelido com sucesso.