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
Novembro de 2009 2
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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
Novembro de 2009 3
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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,...
Novembro de 2009 4
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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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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.
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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.
t
dftF )()(
t
tFdftR )(1)()(
f(τ)
τ|tFALHA
Novembro de 2009 8
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2 Fundamentos da teoria de confiabilidade
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).
Novembro de 2009 9
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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
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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.
)(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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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
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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
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2 Fundamentos da teoria de confiabilidade
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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2 Fundamentos da teoria de confiabilidade
n
iiS tRtR
1
)(11)(
nMTTFMTTFS
1...
3
1
2
11
Para componentes iguais:
Diagrama de Blocos de Confiabilidade:
Sistemas em paralelo (do ponto de vista da confiabilidade):
p.ex., 2 faróis em um automóvel.
Novembro de 2009 15
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2 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:
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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2 Fundamentos da teoria de confiabilidade
Diagrama de Blocos de Confiabilidade:
Sistemas em série-paralelo (do ponto de vista da confiabilidade):
A B
CD
A
DC
B
Novembro de 2009 17
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2 Fundamentos da teoria de confiabilidade
Diagrama de Blocos de Confiabilidade:
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.
Novembro de 2009 18
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2 Fundamentos da teoria de confiabilidade
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),
Novembro de 2009 19
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2 Fundamentos da teoria de confiabilidade
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:
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Novembro de 2009 21
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
Largura do pulso de controle x
posicionamento do eixo
Predição da taxa de falha total
de 13,12 falhas/106 horas.
Novembro de 2009 32
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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).
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.
Novembro de 2009 33
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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
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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
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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:
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
Novembro de 2009 36
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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
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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
Novembro de 2009 38
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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.
DBC do controle eletrônico de voo embarcado:
Taxa de falha do sistema: 57,92 falhas/106 horas
MTTF: 16.113 horas
Novembro de 2009 39
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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
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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
Novembro de 2009 41
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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
Novembro de 2009 42
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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
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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
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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 Controle1,2 ms
Novembro de 2009 45
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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 Controle1,66 ms
Novembro de 2009 46
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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 Controle1,2 ms
Função fail-safe
Novembro de 2009 47
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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
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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
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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:
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
Novembro de 2009 50
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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
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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
Novembro de 2009 52
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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.
Novembro de 2009 53
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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.
Novembro de 2009 54
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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.
Novembro de 2009 55
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Atuação da redundância do sistema de rádio-controle em campo
Novembro de 2009 56
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Obrigado