Giovanni Fernandes Amaral Orientador : Prof. Dr. Cairo L. Nascimento Jr.

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

2. 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

3. 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,...

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

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.

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.

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) τ | t FALHA

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).

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

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:

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.

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.

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.

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:

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

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 D C

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:

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.

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= 13 TJ = 30ºC

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

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

22. 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.

23. 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.

24. 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.

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

26. 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).

27. 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).

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:

29. 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.

30. 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.

31. 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

32. 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.

33. 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.

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:

35. 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: • MTTF: 11.379 horas

36. 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

37. 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.

38. 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: 16.113 horas

39. 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.

40. 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: 19.788 horas

41. 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: 33.111 horas

42. 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

43. 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:

44. 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

45. 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

46. 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

47. 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

48. 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:

49. 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

50. 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