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Novembro de 2009 1

Instituto Tecnológico de Aeronáutica

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

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Conteúdo

1 Introdução

2 Fundamentos da teoria de confiabilidade

3 Estudo da confiabilidade dos sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainerg

4 Proposta de melhoria da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainerg

5 Conclusão

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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,...

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1 Introdução

Motivação:

VANTs universitários não são projetados para exibir alta confiabilidade (uso de COTS).

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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.

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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.

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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.

t

dftF )()(

t

tFdftR )(1)()(

f(τ)

τ|tFALHA

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Medidas de confiabilidade:

dttRdttftMTTF )()(

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).

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Curva da banheira:

Comportamento típico para componentes eletrônicos:

Período de mortalidade infantil

Período de deterioração acentuada

Período de vida útil

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Distribuição de probabilidade de falha exponencial:

Representa o comportamento de um componente eletrônico operando na região de taxa de falhas constante.

)(t

tetR )(

1

MTTF

)(1)( tRtF

Portanto:

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Tempo (MTTF)

R(t)F(t)

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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.

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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.

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Diagrama de Blocos de Confiabilidade:

Sistemas em série (do ponto de vista da confiabilidade):

,)()(1

n

iiS tRtR ,

1

n

iiS

n

i iS MTTFMTTF 1

11

p.ex., forno com 3 resistências.

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n

iiS tRtR

1

)(11)(

nMTTFMTTFS

1...

3

1

2

11

Para componentes iguais:


Sistemas em paralelo (do ponto de vista da confiabilidade):

p.ex., 2 faróis em um automóvel.

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Desvantagem: maior dificuldade de projeto, aumento de consumo de energia e peso.


Sistemas em paralelo (do ponto de vista da confiabilidade):

Redundância ativa de n componentes iguais:

0 1 2 3 40

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Tempo (MTTF)

Rn(

t)

n = 1n = 2n = 3n = 4n = 5

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Sistemas em série-paralelo (do ponto de vista da confiabilidade):

A B

CD

A

DC

B

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Sistemas em espera (standby):

• Chaveamento perfeito = paralelo ativo:

)()()()()( tRtRtRtRtR BABAS

• Chaveamento imperfeito e falha na chave:

)()()(1)()()( tPtRtRtRtRtR ChBAAChS

p.ex., pneu de estepe de um automóvel.

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Predição da taxa de falha de cada componente eletrônico:

...EQCSTbp 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),

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Exemplo de predição da taxa de falha do diodo 1N4448W:

horasFalhasEQCSTbp610/

19,1298

1

273

13091exp

JT T

horasFalhasp66 10/0357,0135,50,142,019,1100010,0

S = 0,42 C = 1,0 Q = 5,5 E = 13 TJ = 30ºC

b = 0,0010 [Falhas/106 horas]

Diodo de montagem em superfície 1N4448W

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3 Estudo da confiabilidade do sistema de controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainerg

Visão

sistêmica

de um VANT:

20

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Visão sistêmica de um VANT:

Plataforma aérea:

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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.

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Carga útil:

Sistema de apontamento de câmera giroestabilizado.

Enlace de vídeo analógico na frequência de 900MHz.

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Segmento de solo:

Estações de controle de controle em solo e de aplicação dos dados.

Ensaios no aeródromo do BAvEx – Taubaté/SP.

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Software de gerenciamento de missão: Horizonmp – Micropilot.

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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).

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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).

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Diagrama de blocos do sistema de piloto automático do VANT MP-Trainerg – Micropilot:

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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.

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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.

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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/106 horas.

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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/106 horas.

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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.

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Predição da taxa de falha da arquitetura original do controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainerg:

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Predição da taxa de falha da arquitetura original do controle eletrônico de voo do VANT MP-Trainerg:

SubsistemaPredição 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 3,02

Total 87,88

MTTF: 11.379 horas

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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

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4 Proposta de melhoria da confiabilidade do sistema de controle eletrônico do VANT MP-Trainerg

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/106 horas.

Circuito de decisão:

< 1,5 ms - Entrada A

> 1,5 ms - Entrada B

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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: 16.113 horas

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Proposta 2: Redundância de servo-atuadores.

Montagem mecânica de redundância de servo-atuadores:

• Os servo-atuadores devem

ter a mesma especificação.

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Proposta 2: Redundância de servo-atuadores.



MTTF: 19.788 horas

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Proposta 3: Redundância do sistema de rádio-controle e dos servo-atuadores.



MTTF: 33.111 horas

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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

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1) Instrumentos utilizados para o experimento:

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1) Entrada A comutada para a Saída da chave de segurança:

Entrada A

Entrada B

Saída

Pulso de Controle1,2 ms

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1) Entrada B comutada para a Saída da chave de segurança:

Entrada A

Entrada B

Saída


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1) Perda do enlace do sistema de rádio-controle 2 (Entrada B):

Entrada A

Entrada B

Saída


Função fail-safe

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2) Montagem de dois servo-atuadores acoplados mecanicamente

Curva de deslocamento do servo-atuador

Corrente do servo-atuador

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2) Montagem para o experimento:

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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




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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

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5 Conclusão

Síntese dos resultados obtidos:

PropostasMTTF

(horas)

Confiabilidade do sistema em t = 1000 horas

Proposta 0 Arquitetura original 11.379 0,915869

Proposta 1Redundância do

sistema de

rádio-controle16.113 0,943494

Proposta 2Redundância de servo-atuadores 19.788 0,964548

Proposta 3

Redundância do sistema de

rádio-controle e

dos servo-atuadores

33.111 0,993641

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5 Conclusão

• A proposta 1 (redundância do sistema de rádio-controle) aumentou o MTTF do sistema em 42% (MTTF = 16.113 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 = 19.788 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 = 33.111 horas).

• A arquitetura original implementada pelo fabricante do VANT

MP-Trainerg apresentou MTTF = 11.379 horas.

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5 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.

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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.

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Atuação da redundância do sistema de rádio-controle em campo

Novembro de 2009 56


Obrigado

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