13 piloto automatico

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Piloto automático
Eduardo dos Santos Ferreira
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Eu sempre achei que era isso
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Fly-by-wire digital
• Um sistema de comandos fly-by-
wire digital é semelhante ao 
sistema analógico, a diferença é 
que o controle é feito por 
computadores digitais 
• Aumenta a flexibilidade do sistema 
de controle de vôo – pode receber
dados de qualquer sensor do avião
• Aumento da estabilidade 
eletrônica – elimina todos os 
problemas dos circuitos 
eletrônicos analógicos
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Fly-by-wire digital
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Fly-By-Wire digital
! Os computadores leem a posição das entradas de força dos controles
do piloto e sensores da aeronave
! Eles resolvem equações diferenciais para determinar os sinais de
comando apropriados que movem os controles de voo, a fim de
transferir as intenções do piloto
! A programação dos computadores digitais habilitam a proteção do
envelope de voo
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Fly-by-wire digital
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Fly-By-Wire digital
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Fly-by-wire digital
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Fly-By-Wire digital
! Os projetistas de aeronaves adaptam precisamente as características
de manobra de uma aeronave, para ficar dentro dos limites globais
possíveis
! Aerodinâmica
! Estrutura da aeronave
! Os computadores de controle de voo continuamente voam a
aeronave
! A carga de trabalho do piloto pode ser reduzida
! É possível voar aviões militares que têm estabilidade relaxada
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Fly-by-wire digital
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Fly-By-Wire digital
! Melhor capacidade de manobra durante o combate e voos de treino
e “manobras despreocupadas”
! estol, giros e outros comportamentos indesejáveis são
automaticamente prevenidos pelos computadores
! Habilita aviões de combate inerentemente instáveis, como o F-117
Nighthawk e o B-2 Spirit (asa voadora), para voar de forma segura e
útil
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DFBW - redundância
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DFBW – Redundância
! Se um dos computadores de controle de voo falha, os outros se
sobrepõem a um defeituoso (ou mesmo dois)
! danificado em combate
! “insanidade” causada por pulsos eletromagnéticos
! Eles continuam a voar a aeronave com segurança, e os defeituosos
podem ser desligados ou reiniciados
! Qualquer computador de controle de voo cujos resultados sejam
discordantes entre si é marcado como defeituoso e ignorado ou
reiniciado
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DFBW - redundância
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DFBW – Redundância
! A maioria dos primeiros aviões com fly-by-wire digital também tinha
um sistema de controle de voo elétrico analógico, mecânico, ou
hidráulico de reserva
! Ônibus espacial:
! Conjunto redundante de 4 computadores digitais executando o
software de controle de voo primário
! Um quinto computador reserva executando um software de sistema
de controle de voo com função reduzida, desenvolvido
separadamente
! Pode ser comandado a assumir, no caso de uma falha que afeta
todos os outros 4 computadores
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DFBW - redundância
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DFBW – Redundância
! Este sistema de reserva serve para reduzir o risco de falha total do
sistema de controle de voo, por causa de uma falha de software de
voo que passou despercebido nos outros quatro computadores
! Para aviões de passageiros, a redundância do controle de voo
melhora sua segurança
! Sistemas de controle fly-by-wire também melhoram a economia em
voo
! São mais leves
! Eliminam a necessidade de controles de voo mecânicos e pesados
! A maioria dos aviões modernos têm sistemas computadorizados que
controlam as manetes de potência de motores a jato, entradas de ar,
armazenamento de combustível e sistemas de distribuição
! Minimizar o consumo de combustível
! Sistemas de comando digitais reduzem o custo dos voos
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Sistema de controle dos 
motores
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Sistemas de controle de motores
! Permitem que o motor funcione com a eficiência máxima para uma
dada condição
! Ajuda o piloto controlar e monitorar a operação da fonte de energia
da aeronave
! Originalmente, o controle do motor consistia em ligações mecânicas
simples controlados pelo piloto
! Depois tornou-se responsabilidade do terceiro membro da tripulação
(engenheiro de voo)
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Sistema de controle de 
motores
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Sistemas de controle de motores
! Ao mover as alavancas do acelerador diretamente ligados ao motor,
o piloto ou o engenheiro de voo pode controlar o fluxo de
combustível, potência de saída e muitos outros parâmetros do motor
! Na sequência dos meios mecânicos de controle do motor veio a
introdução de controle eletrônico analógico motor
! O controle eletrônico analógico varia de um sinal elétrico para
comunicar as configurações do motor desejadas
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Sistemas de controle de 
motores
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Sistemas de controle de motores
! Tinha suas desvantagens, incluindo interferência de ruído eletrônico
e problemas de confiabilidade
! Controle analógico completo foi usado na década de 1960
! Foi introduzido como um componente do motor Rolls Royce
Olympus 593 (Concorde)
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Sistemas de controle de 
motores
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Sistemas de controle de motores
! Na década de 1970, a NASA e Pratt & Whitney testaram o primeiro
FADEC experimental
! Voado em um F-111 equipado com um motor Pratt & Whitney
TF30 altamente modificado
! FADEC: Full Authority Digital Engine Control
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FADEC
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Sistemas de controle de motores – Funções
! FADEC funciona recebendo múltiplas variáveis de entrada da
condição de voo atual
! Densidade do ar
! Posição da alavanca do acelerador
! Temperaturas do motor
! Pressão do motor e outros parâmetros
! As entradas são recebidos pelo EEC (Electronic Engine Controller) e
analisados até 70 vezes por segundo
! Os parâmetros de funcionamento do motor são calculados a partir
destes dados e aplicadas adequadamente
! Fluxo de combustível
! Posição de palhetas do estator
! Posição da válvula de sangria (bleed valve) entre outros
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FADEC
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Sistemas de controle de motores – Funções
! Ele controla a partida e o reinício
! Seu objetivo básico é proporcionar a eficiência ideal do motor para
uma determinada condição de voo
! Ele também permite que o fabricante programe limitações do motor
e recebimento de relatórios de saúde e de manutenção
! Para evitar que se ultrapasse uma determinada temperatura do
motor, o FADEC pode ser programado para tomar as medidas
necessárias automaticamente sem a intervenção do piloto
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FADEC
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Sistemas de controle de motores – Funções
! A tripulação primeiramente entra com os dados de voo no sistema
de gerenciamento de voo (FMS)
! Condições de vento
! Comprimento de pista
! Altitude de cruzeiro
! O FMS usa esses dados para calcular as configurações de potência
para diferentes fases do voo
! Na decolagem, a tripulação avança o acelerador para uma
configuração predeterminada
! Ou opta por uma decolagem com aceleração automática, se
disponível
! Os FADECs agora aplicam a definição de potência de decolagem
calculada, enviando um sinal eletrônico para os motores
! Não há ligação direta para abrir o fluxo de combustível
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FADEC
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Sistemas de controle de motores – Funções
! Este procedimento pode ser repetido para qualquer outra fase do voo
! Em voo, são feitas constantemente pequenas mudanças na operação
para manter a eficiência
! O empuxo máximo está disponível para situações de emergência, se
o acelerador é avançado para o máximo, mas limitações não podem
ser excedidas
! Caso de microbursts
! A tripulação não tem meios de sobrepor manualmente o FADEC
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FADEC
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Sistemas de controle de motores – Funções
! Os FADECs não têm uma forma de acionamento manual disponível,
colocando plena autoridade sobre os parâmetros de funcionamento
do motor no computador
! Se ocorrer uma falha total FADEC, o motor falha
! Se o motor é controlado eletronicamente, mas permite acionamento
manual, considera-se que é apenas um EEC ou ECU
! Um EEC, apesar de componente do FADEC, não é por si só um
FADEC
! Quando único, a EEC torna todas as decisões até que o piloto deseje
intervir
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FADEC - segurança
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Sistemas de controle de motores – Segurança
! Como o funcionamento dos motores é bastante dependente da
automação, a segurança é uma grande preocupação
! A redundância é fornecida sob a forma de dois ou mais canaisdigitais idênticos separados
! Cada canal pode fornecer todas as funções do motor sem restrições
! O FADEC também monitora uma variedade dados analógicos,
digitais e discretos provenientes dos subsistemas dos motores e
sistemas relacionados, que fornece um controle do motor tolerante a
falhas
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FADEC - aplicações
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Sistemas de controle de motores – Aplicações
! Os FADECs são empregados por quase todos os motores a jato da
geração atual, e cada vez mais em motores a pistão em aeronaves de
asa fixa e helicópteros
! O sistema substitui ambos os magnetos em aeronaves com motor a
pistão
! Torna a cara manutenção do magneto obsoleta
! Elimina aquecimento do carburador
! Controles de mistura e priming
! Ele controla cada cilindro do motor de forma independente para uma
injeção de combustível e regulação da ignição ótimas
! O piloto não precisa mais monitorar a mistura de combustível
! Misturas mais precisas geram menos desgaste do motor
! Reduz os custos operacionais
! Aumenta a vida útil do motor
! Os testes também mostraram significativa economia de combustível
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FADEC - vantagens
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Sistemas de controle de motores – Vantagens
! Melhor eficiência de combustível
! Proteção automática do motor contra operações fora da tolerância
! Mais seguro, uma vez que os canais múltiplos do FADEC fornece
redundância em caso de falha
! Motor livre de manipulação, com configurações de empuxo
garantidas
! Capacidade de usar um único tipo de motor para uma larga faixa de
empuxo, apenas por reprogramação do FADEC
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FADEC - vantagens
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Sistemas de controle de motores – Vantagens
! Fornece partida semi-automática do motor
! Melhor integração de sistemas entre os dos motores e os da
aeronaves
! Pode fornecer mecanismo de monitoramento e diagnósticos de saúde
a longo prazo
! Reduz o número de parâmetros a serem monitorados pelas
tripulações
! Devido ao elevado número de parâmetros monitorados, o FADEC
torna possível o “sistema tolerante a falhas”
! Um sistema pode operar dentro de confiabilidade necessária
! Pode apoiar respostas automáticas de emergência da aeronave e
motores
! em caso de estol, os motores devem aumentar o empuxo
automaticamente
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FADEC - desvantagens
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Sistemas de controle de motores – Desvantagens
! Nenhuma forma de acionamento manual disponível, colocando plena
autoridade sobre os parâmetros de funcionamento do motor no
computador
! Se ocorrer uma falha total do FADEC, o motor falha
! Em caso de uma falha total do FADEC, os pilotos não têm nenhuma
maneira de controlar manualmente os motores para um reinício ou
outra forma controla o motor
! O risco pode ser atenuado com FADECs redundantes
! Sistema de complexidade alta comparado a sistemas de controle
hidromecânicos, analógicos ou manuais
! Altos esforços de desenvolvimento do sistema e validação, devido à
complexidade
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Piloto automático
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Piloto automático
! Propósitos da automação na cabine
! Aliviar o trabalho de tarefas rotineiras e repetitivas
! Ajudar com tarefas difíceis
! Tornar possível tarefas que não podem ser feitas por humanos
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Piloto automático
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Piloto automático
! Operação manual:
! Operação automática:
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Funções executadas
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Funções executadas pelo piloto automático
! Função hold:
! O piloto automático tenta manter uma dada variável em um valor
ajustado pelo piloto
! rumo, altitude, velocidade etc.
! Função rastreamento:
! O piloto automático tenta manter a aeronave no curso selecionado
pelo piloto
! Desvios do curso são dados pelo receptor de navegação
! Radial VOR, rastreamento do ILS
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Funções executadas
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Funções executadas pelo piloto automático
! Controle de direção (heading):
! Para pequenos ângulos de rolagem:
Ψ̇ =
g
UΦ, U é a velocidade
! A lei de controle básica da direção é que o ângulo de rolagem
requerido ΦD seja proporcional ao erro de direção ΨE = (Ψcom −Ψ)
ΦD = KΨΨE
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Funções executadas
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Funções executadas pelo piloto automático
! Função captura:
! Quando a aeronave está voando em direção a um curso desejado, o
piloto automático pode ser ajustado para um desvio mínimo, a partir
do qual começa a rastrear o curso desejado
! Tipicamente usado para ILS
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Aumento do estabilidade e 
estabilidade artificial
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Aumento da estabilidade e estabilidade artificial
! As entradas são variáveis selecionadas pelo piloto de uma forma
praticamente estática
! as entradas não mudam com muita frequência
! Em alguns casos é desejável fazer estas entradas dinâmicas
! Taxa de rolagem, taxa de arfagem
! Resposta às entradas da coluna de controle
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Aumento da estabilidade e 
estabilidade artificial
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Aumento da estabilidade e estabilidade artificial
! O computador pode compensar as deficiências do piloto ou do
projeto da aeronave
! Algumas aeronaves, mesmo as comerciais, são instáveis em certas
condições
! Caças são concebidos para serem instáveis, de modo que a sua
capacidade de manobra não é restrito pela aerodinâmica
! Outros (F117, B-2) são instáveis por causa de outros requisitos
(furtivas)
! Estas aeronaves podem ser feitas a parecerem estáveis programando
o computador para manipular as superfícies de controle e de modo a
responder aos comandos recebidos do piloto
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Aumento da estabilidade e 
estabilidade artificial
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Aumento da estabilidade e estabilidade artificial
! Alguns aviões têm instabilidades no eixo de guinada
! Dutch roll: a aeronave oscila em torno do eixo de guinada
! A guinada é acoplada ao movimento de rolagem e a aeronave oscila
lateralmente
! Não é perigoso, mas desconfortável
! Resolvida por amortecedores de guinada (yaw damper)
! Mede respostas de guinada não comandadas e reage a elas
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Proteção do envelope
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Proteção de envelope
! Ao colocar o computador entre os controles de voo e o piloto,
pode-se proteger a aeronave de comandos prejudiciais
! Não é permitido ao piloto exceder um ângulo de ataque especificado
ou carga estrutural especificadas
! Pode ser uma vantagem em casos de emergências como microbursts
! O procedimento recomendado é usar o máximo de potência e ângulo
máximo de ataque
! Isso é difícil em circunstâncias normais, mas com um sistema
automatizado o piloto simplesmente puxa o controle, na medida em
que o computador voa a aeronave no limite do estol, usando a
entrada do medidor de ângulo de ataque
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Pouso automático
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Pouso automático
! A manobra de pouso deve realizar dois objetivos:
1. Alinhar a aeronave com o eixo da pista na presença de vento cruzado
(Decrab)
2. Reduzir a taxa de descida de ∼20 ft/s para ∼2 ft/s na superfície da
pista
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Pouso automático
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Pouso automático
! Durante a maior parte da descida, a posição vertical é mantida por
referência ao Glide Path
! Uma vez que a informação Glide Path tem erro angular, a
sensibilidade vertical aumenta à medida que o avião se aproxima da
pista
! Gain Scheduling: a saída do piloto automático é diminuída quando a
pista se aproxima
! A referência para o Gain Scheduling é geralmente a potência do
sinal do Glide Path
! O Gain Scheduling também é feito no Localizer para orientação
horizontal
! As informações do Glide Path não é utilizável abaixo de 100 ft e o
radar-altímetro não é utilizável até que o avião esteja sobre a pista,
de modo que dados inerciais suplementados por altímetro
barométrico são usado entre estes dois pontos
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Pouso 
automático
Pouso automático
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Pouso automático
! Quando o vento não está direcionado ao longo da pista, há um
componente cruzado (crosswind)
! Durante a aproximação, é compensado utilizando de um “ângulo de
caranguejo”
! A direção da aeronave não é a mesma que a direção de aproximação
e difere por um “ângulo de caranguejo” ou “ângulo de desvio”
! Manter o “ângulo de caranguejo” no pouso não é uma boa ideia,
uma vez que aplica cargas laterais consideráveis trem de pouso
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Pouso automático
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Pouso automático
! Assim, imediatamente antes do pouso o piloto (ou piloto
automático) gira a aeronave, de modo a alinhar com a pista! Em seguida, a aeronave é rolada de forma que a asa que está para
baixo fique na direção do vento
! Então é aplicado o leme oposto para impedir que a aeronave de girar
! Assim, a aeronave pousa sobre uma roda primeiro e em seguida,
deixada a assentar sobre a(s) outra(s) roda(s)
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Pouso automático
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Pouso automático
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