controlador de altitude

7/27/2019 Controlador de Altitude

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Paper Number

CONTROLADOR DE ALTITUDE PARA AERONAVESRADIOCONTROLADAS

Dawson Tadeu IzolaJos Antnio G. Croce

Grupo LendaFatec-SPFernando Martini Catalano

Universidade de So Paulo

Luiz H. Corra BernardesNOXXON Tecnologia

Departamento de Engenharia Mecnica - EESC-USPLaboratrio de AeronavesAvenida Dr. Carlos Botelho, 1456 - CEP 13560-250 So Carlos - SP - Brasil

TEL. + 55 16 274-3444 - Ramal 3059 FAX: +55 16 274-9280E-mail: [email protected]

RESUMO

Aeronaves destinadas a obteno de fotografiasareas devem realizar o vo paralelo ao solo com variaode altitude inferior a 5 metros, para que no hajacomprometimento da escala das fotos. Mudando a altitudede vo a aeronave pode tambm alterar o equilbrio lateral elongitudinal. Utilizando dois sensores para coleta de dadosda aeronave, faz-se o controle de altitude. Com um sensorde presso estabelece-se o clculo de altitude, e umacelermetro o sensor de posio responsvel pelaestabilidade longitudinal da aeronave. Com um computador

de bordo fixa-se a altitude de vo desejada ainda no solo,aps a decolagem da aeronave o sistema acionadofazendo com que o avio atinja a altitude desejada.Utilizando as equaes dinmicas responsveis peloequilbrio da aeronave, residentes no computador de bordo,interagindo com os observadores, estabelece-se a respostado profundor capaz de garantir a altitude desejada e aestabilidade longitudinal do avio. A ao do profundor responsvel pelo movimento de subida e descida daaeronave. Ensaios em tnel de vento demonstraram aeficincia do sistema, principalmente relativo estabilidadelongitudinal de perodo curto.

INTRODUO

Para alterar a altitude de vo em uma aeronave,altera-se o ngulo do profundor, este movimento modifica ongulo de ataque da aeronave fazendo com que acontea amudana na altitude.

O sistema fixador de altitude desenvolvidoconsiste em um sensor de presso que estabelece umarelao entre a presso atmosfrica e a altitude.

Com o valor da presso atmosfrica , um softwareresidente no computador de bordo movimenta o profundorem ngulos de +5o , -5o e zero graus de acordo com oequilbrio longitudinal at que a altitude fixada sejaalcanada.

Paralelo ao fixador de altitude, interage umgiroscpio com sistema de controle que funciona como

aumento de estabilidade longitudinal, fazendo com queacontea o amortecimento das oscilaes de perodo curto,no instante em que a aeronave estiver voando em ngulo deataque para atingir a altitude fixada.

Para se determinar a estabilidade esttica, realizou-se uma anlise sobre a tendncia da aeronave em retornar sua posio original aps a perturbao. A estabilidadeesttica est relacionada com a posio relativa entre o CAe CG, por outro lado a estabilidade dinmica depende dafreqncia de oscilao. Uma aeronave ao sofrer uma

perturbao longitudinal passa a voar em ngulo de ataque,e pode oscilar em torno de sua posio inicial de equilbrio.

Com objetivo de identificar o perodo e a razo dedecaimento das oscilaes realizou-se um experimentoutilizando o Mtodo de Oscilao Livre, descrito porSIMONNS (1920).

Para o desenvolvimento do sistema de controle dealtitude, analisou-se o modelo com o profundor com ngulo0, 10, 20, -10 e -20 graus. O objetivo deste experimento foi

para analisar a estabilidade longitudinal da aeronave com aao do profundor e estabelecer o ngulo do profundor emque independente da velocidade acontea uma razo desubida da aeronave sem comprometimento da estabilidadelongitudinal.

Quando a aeronave atingir a altitude fixada, o

computador de bordo inicia o processo para realizar as fotosareas. Por intermdio de um Pitot estabelece-se avelocidade do avio, com este dado, o computador de

bordo, controla o intervalo entre uma foto e a seguinte,fazendo com que seja possvel a montagem de mosaicoscom a seqncia de 4 fotos.

DESCRIO DO EQUIPAMENTO

O equipamento utilizado para anlise daestabilidade longitudinal consiste em uma haste principalonde fixado o modelo a ser ensaiado.

O modelo fixado por intermdio de umrolamento. O eixo do rolamento unido a um

potencimetro que transmite a oscilao de forma anloga aum sistema codificador A/D (analgico digital). Na parte
mailto:[email protected]:[email protected]


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inferior do modelo fixado uma par de molas fixadas nahaste principal por uma haste transversal. O par de molas responsvel pelo incremento das oscilaes comodescreveu SIMONNS (1920).

Figura 3 Detalhe do mancal

Depois de sofrer a perturbao, a aeronave oscila eeste movimento identificado atravs do potencimetroque varia de 0 a 5 Volts. O sinal codificado para digital e

gravado em uma planilha atravs de um computadorpessoal.

Figura 4 Equipamento de Oscilao

Figura 5 Detalhe da montagem com molas

A variao na voltagem codificada atravs de umequipamento eletrnico (PIC de estrutura RISC) e passada

para um computador pessoal atravs de um programa emQbasic.

O programa em Qbasic responsvel pelaaquisio de dados enviados pelo circuito eletrnico atravsda porta serial de um computador pessoal. Este programa,recebe sinais enviados atravs do controlador PIC, e gravaos dados em 3 matrizes em um arquivo Data.log, estearquivo pode ser lido em softwares como o Excel ouMatlab. Com os dados da planilha plota-se o grfico daoscilao e calcula-se o decaimento (figura 6).

Wind-off

0

1000

2000

3000

4000

0 2 4 6 8 10 12

Tempo (s)

Amplitude

Figura 6 Exemplo de oscilao (wind-off)

Wind-on

0

1000

2000

3000

0 2 4 6 8Tempo (s)

Amplitude

Figura 7 Exemplo de oscilao (wind-on)

A situao sem vento (wind-off) a que apresentaperodo maior, pois o amortecimento somente devido aoefeito das duas molas.

PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

Utilizando o Mtodo de Oscilao Livre descritopor SIMMONS(1920), foi construdo o modelo da aeronave

com as mesmas caractersticas do aeromodelo responsvelpelo sistema de fotos areas. O modelo analisado nascondies com vento e sem vento (wind-on e wind-off). Asoscilaes so simuladas em um equipamento que permiteao modelo oscilar preso ao CG.

Caractersticas do Aeromodelo para foto area:Envergadura: 1,8m;Corda: 0,25 m;Asa: Polidiedral;Comandos: Leme e profundor;Motor; 0,35 HP;Hlice: 11 pol;

Massa: 1,2 kg;

O modelo foi construdo em madeira balsa eentelado com plstico monokote. O modelo est em escala1:30.

Caractersticas do modelo para ensaio aerodinmico:Envergadura: 0,06m;Corda: 0,008 m;Asa: Polidiedral;Comando: profundor;Massa: 0,6 kg.

Atravs da comparao dos resultados (wind-off ewind-on) se estabelece as foras resistivas do equipamentoe o decaimento das oscilaes. O objetivo do experimento


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estabelecer as derivadas de amortecimento longitudinal domodelo.

Para clculo do momento de inrcia, considerou-sea rea e a massa do estabilizador, como SIMMONS(1920),descreveu no experimento de oscilao livre que realizouutilizando dirigveis.

Utilizou-se o tnel de vento LAE-1, doLaboratrio de Aeronaves da USP.

Figura 8 Tnel LAE1

Este tnel de circuito aberto, tipo N.P.L., comcmara de ensaio hexagonal, fechada, com rea de seotransversal de 0,526 m2 e comprimento de 1,63 m. Podeatingir velocidades de at 60 m/s mas, durante os ensaios

preferiu-se no ultrapassar a velocidade de 15 m/s, pelo fatoda fase mais crtica das oscilaes acontecerem quando oavio voa em baixas velocidades.

Anlise dos valores de Nv e Nr do modelo foramrealizados utilizando as equaes do Mtodo de OscilaoLivre descrito por SIMMONS(1920).

Determina-se os valores das derivadas nv e nr paraserem analisados os momento de arfagem devido ao

deslizamento Nv e o momento de arfagem devido a relaode Nrdo modelo.

dados:Ln off = -0,10746Perodo off = 0,2578 sLn on = -0,09519Perodo on = 0,2558 srea do estabilizador: 0,004879 m2condies do ensaio:Betz = 0,0103 mH2OTemperatura = 25o CPresso = 0,75 Nm2

Massa estabilizador = 0,077 kgEnvergadura = 0,119 m

Resultados:Momento de inrcia c = 0.001503 m.kgDensidade do ar () = 1.166332 kg/m3

Velocidade do fluxo V = 12.715343 m/sDecaimento wind-off = -0.416835Decaimento wind-on = -0.372127Valor de Nr wind-on Nr = 0.000134 kgm2/sValor de nr wind-on nr = 0.131136Valor de Nv wind-on Nv = 0.001267 kgm2/sValor de nv wind-on nv = 1.236154

O movimento do profundor feito por intermdiode um atuador eletromecnico fabricado pela FUTABA.

Utilizando um radiotransmissor movimentou-se oprofundor para a coleta de dados na oscilao.

O modelo foi construdo com o profundor capaz dese movimentar em ngulos entre 30 graus positivos e 30graus negativos.

Figura 9 Atuador eletromecnico

Para analisar a resposta do modelo com a ao doprofundor, repetiu-se o experimento de oscilao com oprofundor em 10 e 20 graus positivos e 10 e 20 grausnegativos.

Figura 10 Profundor em ngulo

RESUMO DOS RESULTADOS

Tabela 1 ResultadosPerodo

(s)Ln Nr

kgm2/snr Nv

kgm2/snv

Windoff

0,2578 -0,1074 -0.4168 - - - -

Windon

0,2558 -0,0951 -0.3721 0.0001 0.1311 0.0012 1.2361

Windon

(10o)

0.1836 - 0.0883 -0.4812 -0.0001 -0.1474 0.0543 41.3900

Windon

(20o)

0,2103 -0.0515 -0.2453 0.00001 0.0410 0.0029 2.3848

Windon

(-10o)

0,1930 -0,1411 -0.7311 -0.0009 -0.7817 0.0463 38.3209

Windon

(-20o)

0,2004 - 0.1535 -0.7660 -0.0010 -0.8683 0.0382 31.6269

Razo de decaimento com profundor em ngulo

-0,3

-0,2

-0,1

0

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

Nmero de ciclos (n)

Ln(Fi0/Fin)

Prof. 10

Prof. 20

Prof. -10

Prof. - 20

Figura 11 Razo de decaimento com profundor em ngulo


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CALIBRAO DO SENSOR DE PRESSO

O sensor de presso utilizado para a tomada dodado de altitude do modelo um sensor de presso daMotorola, tipo MPX 5100. Para a calibrao deste sensor,com a inteno de relacionar o valor de sua sada com aaltitude, montou-se um experimento que relacionou o dadode sada do sensor com o valor correspondente em um

micromanmetro do tipo de Betz. A Figura 12 apresenta adescrio do experimento.

Figura 12 Esquema geral do Experimento

Conforme pode ser visto na Figura 12, o sensor depresso est ligado ao micromanmetro de Betz e seringa,formando assim um linha de presso fechada. Assim,quando variada a posio do mbolo da seringa, tanto osensor de presso quanto o Betz so solicitados com amesma presso.

Com este procedimento possvel a calibrao dosensor a partir da leitura obtida no Betz.

y = 0,6462x - 3632,5

3024

3025

3026

3027

3028

3029

3030

3031

10304 10305 10306 10307 10308 10309

Presso Atmosfrica (mmH2O)

Leituradosensor(mV)

Figura 13 Relao entre presso e a leitura do sensor

Com a relao gerada pela reta ajustada aos pontoslidos, chega-se a uma relao entre a presso em milmetrosde coluna de gua e a leitura correspondente no sensor de

presso. Isto consiste no primeiro passo para adeterminao da relao geral da leitura do sensor com aaltitude correspondente. Para determinar esta relaonecessita-se primeiro de uma relao que gerecorrespondncia entre a presso atmosfrica e a altitude.

Como de conhecimento geral, dentro datroposfera a altitude est linearmente relacionada com a

presso atmosfrica local. Desta forma, fazendo acorrelao com os dados disponveis sobre a relao da

presso atmosfrica com altitude e usando a equao gerada

pela reta ajustada no grfico para calcular a leituracorrespondente a cada presso atmosfrica adotada, pode-serelacionar todas as variveis.

y = -0,6661x + 2991,4

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 1000 2000 3000 4000

Altitude (metros)

LeituraSens

or(mV)

Figura 14 Relao entre altitude e a leitura do sensor

Assim a equao da reta ajustada aos pontos daFigura 14 a relao da altitude com a leitura medida nosensor de altitude.

CALIBRAO DO PITOT

Para a calibrao do Pitot relacionou-se a pressolida no Betz com o valor gerado pelo sensor, estabelecendoassim a equao da velocidade. O Pitot construdo foiligado s entradas do sensor. Esta configurao foi de talforma ajustada para que o sensor medisse diretamente a

presso dinmica do escoamento. As Figuras a seguirmostram os equipamentos construdos.

Figura 15 Tubo de Pitot

Figura 16 Montagem do tubo de Pitot


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Figura 17 Tubo de Pitot no tnel

O procedimento experimental adotado consistiuem se variar a velocidade do tnel de vento LAE-2 e fazera leitura no sensor via aquisio de dados no computador.Como dado de comparao, a variao de velocidades dotnel era lida em presso dinmica em um micromanmetrode Betz. A seguir mostrado os dados obtidos.

y = -3,0138x + 1217,3

0

5

10

15

20

25

30

396 397 398 399 400 401 402 403

Pd Sensor

PdBetz

Figura 18 Relao entre presso a dinmica e o sensor

A Figura 18 mostra o grfico gerado pelos dadoscoletados. Foi ajustado um reta aos dados gerados e destaforma tem-se a relao algbrica entre a leitura do sensor ea presso dinmica. Fazendo ainda uso da equao develocidade e presso dinmica, obtm-se diretamente avelocidade como funo da leitura do sensor. Estas relaessero programadas no computador de bordo da aeronave

para uso do sistema de fotos areas.

SISTEMA DE CONTROLE

Como elemento de controle dinmico da aeronaveusou-se um simples sistema de malha aberta para controlara altitude.

O sistema consiste em um seguidor de um sinal dealtitude desejada colocado como uma das entradas. Aindatem-se outra entrada que consiste no sinal da leitura dosensor de altitude.

Os dois sinais so comparados e a diferena entreeles enviada para o computador de bordo da aeronave queenviar um sinal para o sistema que gera movimento no

profundor.Enquanto o computador de bordo no parar de

acusar diferena entre as duas entradas o sinal para oprofundor no desativado.Como este sistema fixador de altitude no controla

a estabilidade longitudinal da aeronave, ainda faz parte do

projeto o uso de um giroscpio com sistema de controle,que interage em paralelo com o fixador de altitude. A seguir apresentado o diagrama de blocos do sistema de controle.

Figura 19 Diagrama de blocos do sistema de controle

O sinal de referncia na entrada do sistema umvalor de altitude desejado que gravado no programa decontrole. Nesta fase do experimento a altitude desejada foi

fixada em 300 metros. Pode-se ver pela Figura 19 que ogiroscpio est colocado em paralelo com a entrada doservo, o que torna possvel o controle da estabilidade daaeronave mesmo quando em processo de subida ou descida

para atingir a altitude controlada.O dado que enviado ao computador de bordo

sobre a velocidade usado para o controle da formao domosaico de fotos que a aeronave tem como objetivo.

Figura 20 Equipamentos utilizados no controle

Com a anlise experimental da aeronave com o

profundor variando de (-20 a + 20) graus, estabeleceu-se ascondies de amortecimento.A velocidade da aeronave foi fixada em 10m/s e o

ngulo do profundor em 5 graus positivos ou 5 graus


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negativos. Com estes dados a aeronave atinge a altitudefixada em 300 metros.

Ao atingir a altitude de 300 metros o computadorde bordo posiciona o profundor com zero grau e faz aleitura da velocidade por intermdio do Pitot..

Com o valor da velocidade estabelece-se ointervalo entre as fotos. Com estes dados realiza-se umaseqncia de 4 fotos.

LGICA DO CONTROLE

Utilizando a equao gerada por intermdio darelao entre a altitude e o sensor de presso tem-se:

4,29916661,0 xy (1)

Onde:y = Leitura do sensorx = Altitude em metros

Assim:

Para 0 metros tem-se:

y = 2991,4

Para 300 metros tem-se:

y = 2791,570

Relao entre altitude zero e 300 metros:

y = 199,830

A diferena entre a leitura do sensor com altitude

de zero metros e o valor com altitude de 300 metros avariao na leitura do sensor independente da altitude dereferncia em que se realizar o vo.

Com a equao gerada por intermdio da relaodo sensor com a velocidade tem-se:

3,12170138,3 xy (2)

Onde:y = Presso dinmica no Betz (Pd)x = valor da leitura no sensor

Utilizando = 1,293 (atmosfera padro),estabelece-se a velocidade.

Pdv

2 (3)

Assim:

293,1

2yv (3)

O programa de controle estabelece uma relaoentre a velocidade da aeronave e o tempo entre uma foto eoutra, este controle possibilita a montagem de mosaicoscom a seqncia de fotos.

Figura 21 Fluxograma do programa de controle

O computador de bordo utilizado o Basic Stamp,com capacidade de 64 Kbytes. Alm do fixador de altitudeo computador de bordo controla a operao da cmarafotogrfica, estabelecendo o intervalo timo entre uma fotoe outra.

O computador de bordo faz tambm a leitura deluminosidade por intermdio de um sensor na prpriacmara fotogrfica, controlando assim a velocidade doobturador em funo da luz natural.

No final da seqncia de 40 fotos o computador debordo desliga o fixador de altitude e rebobina o filme.

O comando da aeronave via rdio incrementadode forma que sempre que o operador assumir o comando, ofixador de altitude seja desligado, evitando assim conflitode informaes.

Figura 22 Exemplo de fotos areas


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CONCLUSES

Os ensaios de estabilidade longitudinaldemonstraram que a aeronave estvel longitudinalmente,apresentando oscilaes convergentes, com variao do

profundor de 10, -20, 0, 10 e 20 graus de ngulo noprofundor.

Observou-se a resposta da aeronave, com

profundor em ngulo de 5 graus, at que se atinja a altitudefixada de 300 metros, neste ensaio identificou-se aineficincia do sistema para amortecer as oscilaes de

perodo longo, fazendo com que a aeronave oscilasse atque fosse atingida a altitude fixada.

A aeronave destinada obteno de fotos areas depequeno formato pode servir de alternativa de baixo custopara usurios, que no necessitem de alta definio nasimagens.

Neste trabalho desconsiderou-se a velocidade doavio para composio do sistema de controle, visto que ocomputador de bordo utilizado no tem espao na memria

para trabalhar com mais esta varivel.

Para continuidade deste trabalho importanteaumentar a capacidade do computador de bordo para que aresposta do profundor seja em funo da velocidade,mantendo assim uma inclinao tima independendo davelocidade da aeronave.

Como foi utilizado um giroscpio com sistema decontrole pronto, observou-se nos ensaios que as oscilaesde perodo longo no foram amortecidas a contento. Paratrabalhos futuros, o ideal que o giroscpio faa parte dosistema de controle interagindo com o fixador de altitude.

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