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Tese de Mestrado Estudo e melhoria da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo de um Veículo Aéreo Não Tripulado Giovanni Fernandes Amaral.

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1 Tese de Mestrado 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 Novembro de 2009

2 Fundamentos da teoria de confiabilidade
Conteúdo Introdução Fundamentos da teoria de confiabilidade Estudo da confiabilidade dos sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainerg Proposta de melhoria da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainerg Conclusão Novembro de 2009

3 Veículos Aéreos Não Tripulados – VANTs:
1 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,... Novembro de 2009

4 1 Introdução Motivação: VANTs universitários não são projetados para exibir alta confiabilidade (uso de COTS). Novembro de 2009

5 1 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. Novembro de 2009

6 2 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. Novembro de 2009

7 2 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) | t τ FALHA Novembro de 2009

8 2 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). Novembro de 2009

9 2 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 Novembro de 2009

10 2 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: Novembro de 2009

11 2 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. Novembro de 2009

12 2 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. Novembro de 2009

13 2 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. Novembro de 2009

14 2 Fundamentos da teoria de confiabilidade
Diagrama de Blocos de Confiabilidade: Sistemas em paralelo (do ponto de vista da confiabilidade): p.ex., 2 faróis em um automóvel. Para componentes iguais: Novembro de 2009

15 2 Fundamentos da teoria de confiabilidade
Diagrama de Blocos de Confiabilidade: Sistemas em paralelo (do ponto de vista da confiabilidade): Redundância ativa de n componentes iguais: Desvantagem: maior dificuldade de projeto, aumento de consumo de energia e peso. Novembro de 2009

16 2 Fundamentos da teoria de confiabilidade
Diagrama de Blocos de Confiabilidade: Sistemas em série-paralelo (do ponto de vista da confiabilidade): A B A B C D C D Novembro de 2009

17 2 Fundamentos da teoria de confiabilidade
Diagrama de Blocos de Confiabilidade: Sistemas em espera (standby): Chaveamento perfeito = paralelo ativo: p.ex., pneu de estepe de um automóvel. Chaveamento imperfeito e falha na chave: Novembro de 2009

18 2 Fundamentos da teoria de confiabilidade
Predição da taxa de falha de cada componente eletrônico: Passos: 1) Determinação da taxa de falha básica do componente (b), 2) Ajuste da taxa de falha básica considerando as condições operacionais do componente, p. ex., temperatura, vibração, qualidade, complexidade. 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. Norma militar americana MIL-HDBK-217F: banco de dados de taxa de falhas de componentes eletrônicos e de fatores de ajuste. Novembro de 2009

19 2 Fundamentos da teoria de confiabilidade
Exemplo de predição da taxa de falha do diodo 1N4448W: b = 0,0010 [Falhas/106 horas] Diodo de montagem em superfície 1N4448W S = 0,42 C = 1,0 Q = 5,5 E = TJ = 30ºC Novembro de 2009

20 Visão sistêmica de um VANT:
3 Estudo da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainerg Visão sistêmica de um VANT: Novembro de 2009 20

21 Visão sistêmica de um VANT: Plataforma aérea:
3 Estudo da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainerg Visão sistêmica de um VANT: Plataforma aérea: Novembro de 2009

22 VANT MP-Trainerg – Micropilot: Aplicação: aplicações civis,
3 Estudo da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainerg VANT MP-Trainerg – 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. Novembro de 2009

23 Sistema de apontamento de câmera giroestabilizado.
3 Estudo da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainerg Carga útil: Sistema de apontamento de câmera giroestabilizado. Enlace de vídeo analógico na frequência de 900MHz. Novembro de 2009

24 Estações de controle de controle em solo e de aplicação dos dados.
3 Estudo da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainerg Segmento de solo: Estações de controle de controle em solo e de aplicação dos dados. Ensaios no aeródromo do BAvEx – Taubaté/SP. Novembro de 2009

25 Software de gerenciamento de missão: Horizonmp – Micropilot.
3 Estudo da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainerg Software de gerenciamento de missão: Horizonmp – Micropilot. Novembro de 2009

26 Suposições adotadas para análise de confiabilidade do VANT
3 Estudo da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainerg Suposições adotadas para análise de confiabilidade do VANT MP-Trainerg: 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). Novembro de 2009

27 do sistema de propulsão, fuselagem, carga útil, enlace de vídeo,
3 Estudo da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainerg Suposições adotadas para análise de confiabilidade do VANT MP-Trainerg: 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). Novembro de 2009

28 3 Estudo da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainerg
Diagrama de blocos do sistema de piloto automático do VANT MP-Trainerg – Micropilot: Novembro de 2009

29 Piloto automático do VANT MP-Trainerg – MP2028g – Micropilot:
3 Estudo da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainerg Piloto automático do VANT MP-Trainerg – 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/106 horas. Novembro de 2009

30 Predição da taxa de falha total de 1,50 falhas/106 horas.
3 Estudo da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainerg 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/106 horas. Novembro de 2009

31 Servo-atuador S3151 – Futaba.
3 Estudo da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainerg 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. Predição da taxa de falha total de 13,12 falhas/106 horas. Largura do pulso de controle x posicionamento do eixo Novembro de 2009

32 Transmissor de rádio-controle 7CAP – Futaba, 72MHz.
3 Estudo da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainerg Enlace de rádio-controle - Sistema de rádio-controle: Permite que um piloto em solo assuma o controle da plataforma aérea (dentro do alcance visual). Receptor de rádio-controle R138DP – Futaba, 72MHz. Predição da taxa de falha total do receptor de 7,66 falhas/106 horas. Transmissor de rádio-controle 7CAP – Futaba, 72MHz. Novembro de 2009

33 Sistema de energia do VANT:
3 Estudo da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainerg 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/106 horas. Novembro de 2009

34 3 Estudo da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainerg
Predição da taxa de falha da arquitetura original do controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainerg: Novembro de 2009

35 Subsistema Predição da taxa de falhas (falhas/106 horas) Total 87,88
3 Estudo da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainerg Predição da taxa de falha da arquitetura original do controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainerg: Subsistema Predição da taxa de falhas (falhas/106 horas) Piloto automático 20,21 Servo board 1,50 Receptor de rádio-controle 7,66 4 x Servo-atuadores 52,47 Bateria A 3,02 Bateria B Total 87,88 MTTF: horas Novembro de 2009

36 Predição de confiabilidade dos subsistemas envolvidos:
3 Estudo da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainerg Identificação de falhas críticas no sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainerg: Predição de confiabilidade dos subsistemas envolvidos: Subsistemas com menor confiabilidade: servo-atuador e piloto automático Novembro de 2009

37 Proposta 1: Redundância do sistema de rádio-controle.
4 Proposta de melhoria da confiabilidade do sistema de controle eletrônico do VANT MP-Trainerg Proposta 1: Redundância do sistema de rádio-controle. Circuito de decisão: < 1,5 ms - Entrada A > 1,5 ms - Entrada B 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/106 horas. Novembro de 2009

38 Taxa de falha do sistema: 57,92 falhas/106 horas
4 Proposta de melhoria da confiabilidade do sistema de controle eletrônico do VANT MP-Trainerg Proposta 1: Redundância do sistema de rádio-controle. DBC do controle eletrônico de voo embarcado: Taxa de falha do sistema: 57,92 falhas/106 horas MTTF: horas Novembro de 2009

39 Proposta 2: Redundância de servo-atuadores.
4 Proposta de melhoria da confiabilidade do sistema de controle eletrônico do VANT MP-Trainerg Proposta 2: Redundância de servo-atuadores. Montagem mecânica de redundância de servo-atuadores: Os servo-atuadores devem ter a mesma especificação. Novembro de 2009

40 Taxa de falha do sistema: 35,42 falhas/106 horas
4 Proposta de melhoria da confiabilidade do sistema de controle eletrônico do VANT MP-Trainerg Proposta 2: Redundância de servo-atuadores. DBC do controle eletrônico de voo embarcado: Taxa de falha do sistema: 35,42 falhas/106 horas MTTF: horas Novembro de 2009

41 Taxa de falha do sistema: 5,48 falhas/106 horas
4 Proposta de melhoria da confiabilidade do sistema de controle eletrônico do VANT MP-Trainerg 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/106 horas MTTF: horas Novembro de 2009

42 Simula o piloto automático
4 Proposta de melhoria da confiabilidade do sistema de controle eletrônico do VANT MP-Trainerg 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 Novembro de 2009

43 Teste de validação em bancada das propostas de redundância:
4 Proposta de melhoria da confiabilidade do sistema de controle eletrônico do VANT MP-Trainerg Teste de validação em bancada das propostas de redundância: 1) Instrumentos utilizados para o experimento: Novembro de 2009

44 Entrada A Entrada B Saída Pulso de Controle 1,2 ms
4 Proposta de melhoria da confiabilidade do sistema de controle eletrônico do VANT MP-Trainerg 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 Novembro de 2009

45 Entrada A Entrada B Saída Pulso de Controle 1,66 ms
4 Proposta de melhoria da confiabilidade do sistema de controle eletrônico do VANT MP-Trainerg 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 Novembro de 2009

46 Entrada A Entrada B Saída Pulso de Controle Função fail-safe 1,2 ms
4 Proposta de melhoria da confiabilidade do sistema de controle eletrônico do VANT MP-Trainerg 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 Novembro de 2009

47 Teste de validação em bancada das propostas de redundância:
4 Proposta de melhoria da confiabilidade do sistema de controle eletrônico do VANT MP-Trainerg 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 Novembro de 2009

48 Teste de validação em bancada das propostas de redundância:
4 Proposta de melhoria da confiabilidade do sistema de controle eletrônico do VANT MP-Trainerg Teste de validação em bancada das propostas de redundância: 2) Montagem para o experimento: Novembro de 2009

49 Teste de validação em bancada das propostas de redundância:
4 Proposta de melhoria da confiabilidade do sistema de controle eletrônico do VANT MP-Trainerg Teste de validação em bancada das propostas de redundância: Teste dos servo-atuadores com acoplamento mecânico: Corrente no servo-atuador 1 Conjunto de servo-atuadores sem falhas para um deslocamento do eixo de 100º. Corrente no servo-atuador 2 Corrente no servo-atuador 1 Conjunto com falha em um servo-atuador para um deslocamento do eixo de 100º. Corrente no servo-atuador 2 Novembro de 2009

50 Teste de validação em bancada das propostas de redundância:
4 Proposta de melhoria da confiabilidade do sistema de controle eletrônico do VANT MP-Trainerg 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 Novembro de 2009

51 Síntese dos resultados obtidos: Propostas MTTF (horas)
5 Conclusão Síntese dos resultados obtidos: Propostas MTTF (horas) Confiabilidade do sistema em t = 1000 horas Proposta 0 Arquitetura original 11.379 0,915869 Proposta 1 Redundância do sistema de rádio-controle 16.113 0,943494 Proposta 2 Redundância de servo-atuadores 19.788 0,964548 Proposta 3 rádio-controle e dos servo-atuadores 33.111 0,993641 Novembro de 2009

52 A arquitetura original implementada pelo fabricante do VANT
5 Conclusão A arquitetura original implementada pelo fabricante do VANT MP-Trainerg apresentou MTTF = horas. 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). Novembro de 2009

53 As propostas evidenciaram que uma arquitetura que utilize
5 Conclusão 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. Os resultados mostram que pequenas alterações de baixo custo na arquitetura do VANT podem resultar em significativo aumento da confiabilidade do sistema. Novembro de 2009

54 Possíveis trabalhos futuros:
5 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. Novembro de 2009

55 Atuação da redundância do sistema de rádio-controle em campo
Novembro de 2009

56 Obrigado Novembro de 2009


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