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Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de 2009 1 Estudo e melhoria da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo de um Veículo Aéreo.

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1 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Estudo e melhoria da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo de um Veículo Aéreo Não Tripulado Giovanni Fernandes Amaral Orientador : Prof. Dr. Cairo L. Nascimento Jr. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Eletrônica e Computação Área de Dispositivos e Sistemas Eletrônicos Tese de Mestrado

2 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Conteúdo 1Introdução 2Fundamentos da teoria de confiabilidade 3Estudo da confiabilidade dos sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainer g 4Proposta de melhoria da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainer g 5Conclusão

3 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Introdução Veículos Aéreos Não Tripulados – VANTs: Aplicações: Gerenciamento de queimadas e desmatamento, Monitoramento de fronteiras, Atividades de agricultura, Inspeção de linhas de transmissão de energia elétrica,...

4 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Introdução Motivação: VANTs universitários não são projetados para exibir alta confiabilidade (uso de COTS).

5 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Introdução Objetivo: Aumentar a confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo embarcado em um VANT por meio da implementação de redundâncias de baixo custo para que o piloto em solo controle o VANT com mais segurança nas seguintes fases de voo: decolagem/subida, aproximação/pouso.

6 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Fundamentos da teoria de confiabilidade Definições: Confiabilidade R(t) : capacidade de um item desempenhar uma função requerida sob condições especificadas durante um dado intervalo de tempo. Falha F(t) : término da capacidade de um item desempenhar uma função requerida. Taxa de Falha (t) : frequência com que as falhas ocorrem durante um determinado período de tempo.

7 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Fundamentos da teoria de confiabilidade Função densidade de probabilidade de falha f(τ) : A função de densidade de probabilidade f(τ) representa a probabilidade da falha ocorrer em função do tempo. f(τ)f(τ) τ |t|t FALHA

8 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Fundamentos da teoria de confiabilidade Medidas de confiabilidade: MTTF (Mean Time To Failure): tempo médio esperado para a ocorrência da falha. É aplicável para componentes cuja vida termina na primeira falha, ou seja, não podem ser reparados (componentes eletrônicos).

9 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Fundamentos da teoria de confiabilidade Curva da banheira: Comportamento típico para componentes eletrônicos: Período de mortalidade infantil Período de deterioração acentuada Período de vida útil

10 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Fundamentos da teoria de confiabilidade Distribuição de probabilidade de falha exponencial: Representa o comportamento de um componente eletrônico operando na região de taxa de falhas constante. Portanto:

11 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Fundamentos da teoria de confiabilidade Exemplos de técnicas para aumento de confiabilidade de um sistema: Redundância: mais de um meio para desempenhar a função requerida, –ativa, –em espera (Standby): quente, morna, fria. Componentes com maior confiabilidade individual. Solicitação reduzida dos componentes (derating): –Operação abaixo das condições nominais, –lâmpada de 220 V operando em 127 V.

12 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Fundamentos da teoria de confiabilidade Exemplos de métodos para determinar/analisar a confiabilidade de sistemas compostos: DBC: Diagrama de Blocos de Confiabilidade. FTA (Fault Tree Analysis): Análise de Árvore de Falhas. FMEA (Failure Mode and Effect Analysis): Análise de Modo de Falhas e Efeitos.

13 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Fundamentos da teoria de confiabilidade Diagrama de Blocos de Confiabilidade: Sistemas em série (do ponto de vista da confiabilidade): p.ex., forno com 3 resistências.

14 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Fundamentos da teoria de confiabilidade Para componentes iguais: Diagrama de Blocos de Confiabilidade: Sistemas em paralelo (do ponto de vista da confiabilidade): p.ex., 2 faróis em um automóvel.

15 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Fundamentos da teoria de confiabilidade Desvantagem: maior dificuldade de projeto, aumento de consumo de energia e peso. Diagrama de Blocos de Confiabilidade: Sistemas em paralelo (do ponto de vista da confiabilidade): Redundância ativa de n componentes iguais:

16 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Fundamentos da teoria de confiabilidade Diagrama de Blocos de Confiabilidade: Sistemas em série-paralelo (do ponto de vista da confiabilidade): A B C D A D C B

17 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Fundamentos da teoria de confiabilidade Diagrama de Blocos de Confiabilidade: Sistemas em espera (standby): Chaveamento perfeito = paralelo ativo: Chaveamento imperfeito e falha na chave: p.ex., pneu de estepe de um automóvel.

18 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Fundamentos da teoria de confiabilidade Predição da taxa de falha de cada componente eletrônico: p : predição da taxa de falha do componente, b : taxa de falha básica do componente, T, S, C, Q, E : fatores de temperatura, de stress elétrico, de construção, de qualidade e de ajuste ambiental. 2) Ajuste da taxa de falha básica considerando as condições operacionais do componente, p. ex., temperatura, vibração, qualidade, complexidade. Norma militar americana MIL-HDBK-217F: banco de dados de taxa de falhas de componentes eletrônicos e de fatores de ajuste. Passos: 1) Determinação da taxa de falha básica do componente ( b ),

19 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Fundamentos da teoria de confiabilidade Exemplo de predição da taxa de falha do diodo 1N4448W: S = 0,42 C = 1,0 Q = 5,5 E = 13 T J = 30ºC b = 0,0010 [Falhas/10 6 horas] Diodo de montagem em superfície 1N4448W

20 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Estudo da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainer g Visão sistêmica de um VANT: 20

21 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Estudo da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainer g Visão sistêmica de um VANT: Plataforma aérea:

22 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Estudo da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainer g VANT MP-Trainer g – Micropilot: Aplicação: aplicações civis, plataforma aérea: aeromodelo comercial, asa alta, tipo treinador Alpha60, envergadura: 1,80 m, comprimento: 1,54 m, massa sem combustível: 4,2 kg.

23 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Estudo da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainer g Carga útil: Sistema de apontamento de câmera giroestabilizado. Enlace de vídeo analógico na frequência de 900MHz.

24 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Estudo da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainer g Segmento de solo: Estações de controle de controle em solo e de aplicação dos dados. Ensaios no aeródromo do BAvEx – Taubaté/SP.

25 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Estudo da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainer g Software de gerenciamento de missão: Horizon mp – Micropilot.

26 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Estudo da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainer g Suposições adotadas para análise de confiabilidade do VANT MP-Trainer g : A falha de qualquer componente resulta na falha do subsistema. A falha de qualquer servo-atuador pode resultar na perda do VANT. Foram consideradas apenas as fases de voo B e D (alcance visual).

27 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Estudo da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainer g Suposições adotadas para análise de confiabilidade do VANT MP-Trainer g : Enlace de Dados e Software de Gerenciamento de Missão não serão considerados durante as fases de voo B e D (pousos e decolagens realizados manualmente por um piloto em solo). Não fazem parte do escopo deste trabalho o estudo da confiabilidade: do sistema de propulsão, fuselagem, carga útil, enlace de vídeo, do software embarcado (firmware) no processador do piloto automático, do transmissor de rádio-controle e do seu meio de transmissão (interferências eletromagnéticas), humana (considera-se que o piloto é experiente).

28 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Estudo da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainer g Diagrama de blocos do sistema de piloto automático do VANT MP-Trainer g – Micropilot:

29 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Estudo da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainer g Piloto automático do VANT MP-Trainer g – MP2028g – Micropilot: Integra em uma única placa todos os sensores necessários para o controle de voo e navegação do VANT. Lista de componentes obtida por inspeção visual. Predição da taxa de falha total de 20,21 falhas/10 6 horas.

30 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Estudo da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainer g Interface entre o piloto automático e os servo-atuadores – placa Servo board: Distribui os sinais de controle gerados pelo piloto automático para os servo-atuadores e os alimenta. Predição da taxa de falha total de 1,50 falhas/10 6 horas.

31 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Estudo da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainer g Servo-atuadores: Movimenta as superfícies de controle aerodinâmicas, o trem de pouso (direção quando em solo) e a válvula de entrada de combustível do motor (potência do sistema de propulsão). Servo-atuador S3151 – Futaba. Largura do pulso de controle x posicionamento do eixo Predição da taxa de falha total de 13,12 falhas/10 6 horas.

32 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Estudo da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainer g Enlace de rádio-controle - Sistema de rádio-controle: Permite que um piloto em solo assuma o controle da plataforma aérea (dentro do alcance visual). Transmissor de rádio-controle 7CAP – Futaba, 72MHz. Receptor de rádio-controle R138DP – Futaba, 72MHz. Predição da taxa de falha total do receptor de 7,66 falhas/10 6 horas.

33 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Estudo da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainer g Sistema de energia do VANT: Bateria A – 6V/1500mAh NiCd (piloto automático, receptor de rádio-controle e rádio-modem) Bateria B – 4,8V/600mAh NiCd (servo-atuadores) Predição da taxa de falha das baterias A e B de 3,02 falhas/10 6 horas.

34 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Estudo da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainer g Predição da taxa de falha da arquitetura original do controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainer g :

35 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Estudo da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainer g Predição da taxa de falha da arquitetura original do controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainer g : Subsistema Predição da taxa de falhas (falhas/10 6 horas) Piloto automático20,21 Servo board1,50 Receptor de rádio-controle7,66 4 x Servo-atuadores52,47 Bateria A3,02 Bateria B3,02 Total87,88 MTTF: horas

36 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Estudo da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainer g Identificação de falhas críticas no sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainer g : Predição de confiabilidade dos subsistemas envolvidos: Subsistemas com menor confiabilidade: servo-atuador e piloto automático

37 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Proposta de melhoria da confiabilidade do sistema de controle eletrônico do VANT MP-Trainer g Proposta 1: Redundância do sistema de rádio-controle. Rádio-controle 2 pode controlar diretamente os servo-atuadores independente do piloto automático. Predição da taxa de falha da Chave de Segurança: 2,43 falhas/10 6 horas. Circuito de decisão: < 1,5 ms - Entrada A > 1,5 ms - Entrada B

38 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Proposta de melhoria da confiabilidade do sistema de controle eletrônico do VANT MP-Trainer g Proposta 1: Redundância do sistema de rádio-controle. DBC do controle eletrônico de voo embarcado: Taxa de falha do sistema: 57,92 falhas/10 6 horas MTTF: horas

39 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Proposta de melhoria da confiabilidade do sistema de controle eletrônico do VANT MP-Trainer g Proposta 2: Redundância de servo-atuadores. Montagem mecânica de redundância de servo-atuadores: Os servo-atuadores devem ter a mesma especificação.

40 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Proposta de melhoria da confiabilidade do sistema de controle eletrônico do VANT MP-Trainer g Proposta 2: Redundância de servo-atuadores. DBC do controle eletrônico de voo embarcado: Taxa de falha do sistema: 35,42 falhas/10 6 horas MTTF: horas

41 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Proposta de melhoria da confiabilidade do sistema de controle eletrônico do VANT MP-Trainer g Proposta 3: Redundância do sistema de rádio-controle e dos servo-atuadores. DBC do controle eletrônico de voo embarcado: Taxa de falha do sistema: 5,48 falhas/10 6 horas MTTF: horas

42 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Proposta de melhoria da confiabilidade do sistema de controle eletrônico do VANT MP-Trainer g Teste de validação em bancada das propostas de redundância: 1) Redundância do sistema de rádio-controle: Simula o piloto automático Circuito de decisão: < 1,5ms - Entrada A > 1,5ms - Entrada B

43 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Proposta de melhoria da confiabilidade do sistema de controle eletrônico do VANT MP-Trainer g Teste de validação em bancada das propostas de redundância: 1) Instrumentos utilizados para o experimento:

44 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Proposta de melhoria da confiabilidade do sistema de controle eletrônico do VANT MP-Trainer g Teste de validação em bancada das propostas de redundância: 1) Entrada A comutada para a Saída da chave de segurança: Entrada A Entrada B Saída Pulso de Controle 1,2 ms

45 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Proposta de melhoria da confiabilidade do sistema de controle eletrônico do VANT MP-Trainer g Teste de validação em bancada das propostas de redundância: 1) Entrada B comutada para a Saída da chave de segurança: Entrada A Entrada B Saída Pulso de Controle 1,66 ms

46 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Proposta de melhoria da confiabilidade do sistema de controle eletrônico do VANT MP-Trainer g Teste de validação em bancada das propostas de redundância: 1) Perda do enlace do sistema de rádio-controle 2 (Entrada B): Entrada A Entrada B Saída Pulso de Controle 1,2 ms Função fail-safe

47 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Proposta de melhoria da confiabilidade do sistema de controle eletrônico do VANT MP-Trainer g Teste de validação em bancada das propostas de redundância: 2) Montagem de dois servo-atuadores acoplados mecanicamente Curva de deslocamento do servo-atuador Corrente do servo-atuador

48 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Proposta de melhoria da confiabilidade do sistema de controle eletrônico do VANT MP-Trainer g Teste de validação em bancada das propostas de redundância: 2) Montagem para o experimento:

49 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Proposta de melhoria da confiabilidade do sistema de controle eletrônico do VANT MP-Trainer g Teste de validação em bancada das propostas de redundância: Teste dos servo-atuadores com acoplamento mecânico: Conjunto de servo-atuadores sem falhas para um deslocamento do eixo de 100º. Conjunto com falha em um servo-atuador para um deslocamento do eixo de 100º. Corrente no servo-atuador 1 Corrente no servo-atuador 2 Corrente no servo-atuador 1 Corrente no servo-atuador 2

50 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Proposta de melhoria da confiabilidade do sistema de controle eletrônico do VANT MP-Trainer g Teste de validação em bancada das propostas de redundância: Teste dos servo-atuadores com acoplamento mecânico: Curva de tempo de deslocamento do conjunto sem falhas para um deslocamento do eixo de 100º. t = 260 ms Curva de tempo de deslocamento do conjunto com falha em um servo-atuador para um deslocamento do eixo de 100º. t = 344 ms

51 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Conclusão Síntese dos resultados obtidos: Propostas MTTF (horas) Confiabilidade do sistema em t = 1000 horas Proposta 0 Arquitetura original , Proposta 1 Redundância do sistema de rádio-controle , Proposta 2 Redundância de servo-atuadores , Proposta 3 Redundância do sistema de rádio-controle e dos servo-atuadores ,993641

52 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Conclusão A proposta 1 (redundância do sistema de rádio-controle) aumentou o MTTF do sistema em 42% (MTTF = horas) e é altamente recomendada para ensaios em qualquer modelo de VANT. A proposta 2 (redundância de servo-atuadores) resultou em um aumento de 74% no MTTF do sistema (MTTF = horas) e proporciona maior confiabilidade do sistema em todas as fases de voo. A proposta 3 (que reúne as 2 anteriores) resulta em um aumento significativo no MTTF do sistema de 191% (MTTF = horas). A arquitetura original implementada pelo fabricante do VANT MP-Trainer g apresentou MTTF = horas.

53 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Conclusão Os resultados mostram que pequenas alterações de baixo custo na arquitetura do VANT podem resultar em significativo aumento da confiabilidade do sistema. A proposta 1 (redundância do sistema de rádio-controle) foi implementada e validada com sucesso em bancada e no VANT. A proposta 2 (redundância de servo-atuadores) foi implementada e validada com sucesso em bancada mas ainda não foi implementada no VANT (demanda grandes alterações na estrutura do VANT). As propostas evidenciaram que uma arquitetura que utilize redundância do sistema de rádio-controle e redundância de servo-atuadores é altamente recomendável para o desenvolvimento de VANTs de baixo custo que utilizam equipamentos COTS.

54 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Conclusão Possíveis trabalhos futuros: Estudo e implementação de soluções para aumento de confiabilidade para as condições de voo fora do alcance visual. Estudo de um sistema de terminação de voo – FTS (Flight Terminator System) baseado na identificação embarcada da falha, p.ex., pára-quedas e descida controlada em espiral (perda do motor). Estudo de compatibilidade eletromagnética do sistema. Estudo e predição da confiabilidade da estação de solo e do seus enlaces de comunicação. Estudo de técnicas de testabilidade do firmware do piloto automático.

55 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Atuação da redundância do sistema de rádio-controle em campo

56 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Novembro de Obrigado


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