Aviônica de baixo custo para aviação geral

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Educação & Tecnologia

Educ. Tecnol., Belo Horizonte, v.8, n.1, p.05-11, jan./jun. 2003

Aviônica de baixo custo para aviação geral

Ana Paula Batista1

José Eduardo Mautone Barros2

José Henriques Iscold Oliveira3

Este trabalho refere-se ao desenvolvimento de um painel virtual de instrumentos para um avião esportivo, podendoser aplicado também a outros equipamentos de movimentação e transporte. O principal objetivo é o desenvolvimento

de um sistema de aquisição e visualização de dados provenientes de sensores. Seguimos a tendência de recentespesquisas da NASA para interfaces entre piloto e avião, atualmente em desenvolvimento no programa depesquisa AGATE (Advanced General Aviation Transportation Experiment), que possibilitará à Aviação Geral acesso

a estes modernos displays multifuncionais que tornarão a pilotagem muito mais fácil e segura.

PALAVRAS-CHAVE: INSTRUMENTAÇÃO; AVIÔNICA; ELETRÔNICA EMBARCADA; SOFTWARE.

1 Aluna do curso de Engenharia Industrial Elétrica CEFET-MG. - Rua Rio Xingu, 443 - Bairro Riacho - Contagem - MG. - CEP 32.265.290.2 Professor do Departamento de Disciplinas Básicas do CEFET-MG. - CEFET-MG / DADB - Av. Amazonas, 7675 - Bairro Nova Gameleira - CEP 30510-000 - Belo Horizonte - MG3 Professor do Departamento de Mecânica do CEFET-MG. - CEFET-MG / DAEM - Av. Amazonas, 7675 - Bairro Nova Gameleira - CEP 30510-000 - Belo Horizonte - MG

1 INTRODUÇÃO

Desde o início da aviação, painéis contendo umcrescente número de instrumentos têm sido desenvolvi-dos para fornecer ao piloto as informações necessárias aum vôo seguro. Como pode ser visto na FIG. 1, os pri-meiros painéis eram analógicos e continham um peque-no número de instrumentos.

FIGURA 1 - Painel AVRO 504 (1930).

Atualmente, os painéis contêm uma série de ins-trumentos analógicos destinados a exibir informações

sobre parâmetros de vôo, motores, navegação, comuni-cações e controles. A FIG. 2 mostra um painel modernode uma aeronave para quatro passageiros.

FIGURA 2 - Painel LANCAIR IV (2000).

Com o aumento do número de instrumentos, aquantidade de informações que o piloto deve interpre-tar eleva em muito a carga de trabalho sobre este, au-mentando as possibilidades de acidentes. A introduçãode sistemas computadorizados retira do piloto tarefasque podem ser processadas automaticamente. Assim,surgiu o conceito de painel virtual de instrumentos, queconsiste em um monitor multifuncional que exibe ins-trumentos gerados por computador, ou seja, instrumen-tos virtuais. O computador fica responsável por adquirircontinuamente os dados dos sensores, processá-los e

a r t i g oa r t i g oa r t i g oa r t i g o

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Educação & Tecnologia


exibi-los para o piloto. Também monitora os dados deforma a alertar o piloto de eventuais problemas. O pilo-to pode, a qualquer momento, configurar os monitorespara uma ou mais funções. As FIG. 3 e 4 ilustram pai-néis virtuais, sendo que o painel da FIG. 3 está emdesenvolvimento e o da FIG. 4 é uma proposta maisavançada da NASA.

FIGURA 3 - Painel proposto para o LANCAIR.

FIGURA 4 - Painel proposto pela NASA (AGATE), com ins-

trumentos virtuais, Head-up Display (projetor

de imagens sobre o pára-brisa) e Sky Highway

(barras indicadoras de direção - auxílio à nave-

gação).

Existem concepções futurísticas, que incluem acapacidade de projetar os instrumentos virtuais dire-tamente no campo visual do piloto, através de Head-up Displays usando projetores convencionais ouholográficos; a capacidade de gerar relevos sintéticosa partir de mapas e a capacidade de indicar a direçãode vôo para os próximos segundos, através de barrasou quadrados que formam uma estrada virtual no pa-inel principal (Sky-Highway). A FIG. 5 ilustra esta con-cepção.

FIGURA 5 - Painel militar proposto para o Honeywell,

com instrumentos virtuais, geração de

relevo sintético e Sky Highway.

2 SISTEMAS ATUAIS E FUTUROS

Os sistemas de instrumentação modernos podemser classificados em duas diferentes arquiteturas: Centrali-zada e Distribuída.Arquitetura CentralizadaEla consiste em uma unidade central que recebe os sinais detodos os sensores, processa e envia os dados para os displays.

Esta arquitetura é de rápida implementação, mas dedifícil atualização, pois os sensores sofrem alterações a cadaatualização. Uma interface A/D (Analógica/Digital) é neces-sária para converter os sinais dos sensores, que serão en-tregues à unidade central. A placa A/D tem limitação donúmero de entradas e saídas.

Uma solução moderna e de baixo custo para estaarquitetura é a utilização de uma interface USB (UniversalSerial Bus). A idéia é construir cada sensor com ummicroprocessador, tornando os sensores inteligentes, umavez conhecidos os fatores de calibração os sensores serãocapazes detectar seu próprio diagnóstico e de receber ins-truções da unidade central. Os sensores estarãointerconectados com o computador de bordo através deum barramento USB. Uma vantagem é a eliminação da pla-ca A/D, na qual as funções serão exercidas pelos sensoresmicroprocessados. É possível adicionar ou remover umnovo sensor automaticamente, pois os dispositivos USBsão plugáveis. Sensores inteligentes permitemimplementações em tempo real e controle externo, elesrequerem um computador de bordo para operação dosistema em tempo real.Arquitetura DistribuídaEla consiste em algumas unidades centrais conectadas a umbarramento. Cada unidade central é responsável por umsubsistema do veículo. Esta arquitetura exige um protocolo



de comunicação e um controle de software mais complexo.Esta arquitetura está presente nos modernos sistemas deaviação para transporte civil e em aeronaves militares. Écomum encontrar diversos barramentos nos sistemas deaviação. Por exemplo, uma aeronave militar tem umbarramento de dados dos sensores, um barramento dedados de vídeo, um barramento para gerenciamento devôo e um barramento para gerenciamento do sistema.Muitas vezes, cada barramento tem um protocolo diferen-te. Sistemas militares usam MIL-STD-1553. Sistemas de ae-ronaves comerciais utilizamEthetnet, RS-232, RS-485, MIL-STD-1553, ATM, etc. Todas es-tas soluções requerem interfacede comunicação (gateways)entre barramentos, que au-menta a complexidade e ocusto.As indústrias navais eautomotivas têm utilizado arede CAN (Controller ÁreaNetwork) como padrão para seusveículos. Existe a possibilidadede aplicar NMEA2000 como pa-drão para aeronaves. Novamen-te, a produção em larga escalareduziria o custo. A taxa produ-ção mundial de aeronaves deaviação geral é da ordem de cemmil unidades por ano, e a taxade produção mundial de auto-móveis é da ordem de cem mi-lhões de unidades por ano.

3 SISTEMA EM DESENVOLVI-MENTO

Escolhemos a arquitetura centralizada para iniciar a pes-quisa, pois é a maneira mais simples para o desenvolvi-mento de um protótipo. Os objetivos são especificar ossensores, solucionar os problemas de condicionamen-to de sinais, calibrar os sensores e desenvolver uma basede software para ler os sinais e amostrar os instrumen-tos de vôo necessários para pilotar uma aeronave depequeno porte. O próximo passo é construir um protó-tipo usando interface USB, que é uma solução de baixocusto com algumas vantagens da arquitetura distribuí-da. O PIC16C745 foi escolhido como microprocessadorbase para implementação USB. Todos os condicionado-res de sinais dos sensores receberão ummicroprocessador dedicado. O passo final seria aimplementação de um barramento CAN, que é uma so-lução robusta e de baixo custo. A família PIC18Fxx8 po-derá ser usada nesta fase de desenvolvimento.

O protótipo consiste em um computador tipoIBM-PC com sistema operacional Windows Me,conectado a uma placa A/D. Sensores e condicionado-res de sinais são conectados a placa A/D através decabeamento estruturado utilizando conectores RJ45S.Duas fontes ATX são responsáveis pela alimentação detodos os componentes. O diagrama de instrumentaçãoda FIG. 6 mostra a descrição mais detalhada de cadaitem.

SoftwareO software foi implementado em Object Pascal, usan-

do Delphi IDE (Integrated Development Enviroment), atécnica de programação é orientada a objetos. O softwareé portável do sistema operacional Windows para Linuxatravés do Kylix IDE.

No ambiente de programação escolhido, a classemais evoluída é a de componentes que constituem as uni-dades de programação visual Delphi. Foram desenvolvi-dos seis componentes, a FIG. 7 representa o diagrama hi-erárquico de classes dos componentes.

FIGURA 7- Diagrama de classes.

FIGURA 6 - Esquema de instrumentação.



FIGURA 8 - Painel Virtual de Instrumentos.

A FIG. 8 mostra o painel virtual de instrumentos(PVI) implementado. Utilizamos dois painéis para subdi-vidir a tela, um principal e um secundário. No painelprincipal temos os instrumentos para a visualização dosparâmetros de vôo, os medidores de velocidade, altitu-de, horizonte, a bússola, indicadores de freio, óleo, flap,stoll e trem de pouso, um relógio e um cronômetronecessários à navegação. No painel secundário temos osinstrumentos para a visualização dos parâmetros do mo-tor, o de rotação do motor, os de temperaturas dos cilin-dros, os de temperatura da água e gás de exaustão, osmedidores de corrente e tensão da bateria, e os medi-dores de nível de combustível dos tanques.

HardwareOs sensores foram selecionados levando em con-

ta a adequação a ambientes agressivos, a incorporaçãode circuito de condicionamento, a compensação de tem-peratura e o custo,. sendo quase todos oriundos deaplicações na área automotiva. São considerados de bai-xo custo sensores abaixo de US$100.00.

Acelerômetros

Foram escolhidos como sensores de atitude da ae-ronave, dois acelerômetros de dois eixos cada, com saídadigital PWM, tecnologia MEMS(Microelectromechanics/micro-eletromecânica), tipo capacitor de placas móveis.As especificações mais importantes são:

ADXL210 Analog DevicesFaixa de Aceleração ±10 GIncerteza 0,2 % FESaída Analógica e Digital PWMCusto do Sensor US$ 70.00Custo da Plataforma US$300.00Para testar esta classe de sensores, um protóti-

po desta plataforma foi construído e como segundoprotótipo uma luva ASG (Acceleration Sensing Glove)foi implementada. A luva foi utilizada no medidor dehorizonte para demonstração. Além disso, ela poderáser utilizada como apontador de mouse, como ferra-menta para reconhecimento de gestos e como dispo-sitivo de entrada em ambientes de simulação. A FIG.9 mostra a ASG implementada.



FIGURA 9 - Luva ASG implementada.

Como referência inercial para aeronave pode-seutilizar inclinômetros derivados da mesma tecnologia dosacelerômetros. Eles medem a inclinação da aeronaveindependente da aceleração e o seu custo é semelhanteao dos acelerômetros. Entretanto são necessários doisacelerômetros e dois inclinômetros para se criar um sis-tema giroscópio de três eixos.

Compasso magnéticoPara servir de bússola da aeronave escolhemos um

sensor indutivo. Este sensor varia sua indutância de acor-do com a intensidade do campo magnético ao qual eleestá sujeito. Utilizamos este sensor como elemento ativode um oscilador, a freqüência de oscilação será propor-cional ao campo magnético.Temos na saída do osciladorum trem de pulsos. As especificações mais importantessão:

SEN-L PNI CorpFaixa de Medição 0 a 360 grausIncerteza 0,5 grausSaída Pulsos DigitaisCusto do Sensor US$30.00Custo da Plataforma US$100.00Uma alternativa é utilizar o sensor HMC1002 da

Honeywell. Ele é um sensor de efeito hall de dois ei-xos. O custo dos sensores Hall é um pouco superior aodos sensores indutivos, mas são mais precisos.

TacômetroPara medir a rotação do motor, foi escolhido um

tacômetro baseado numa chave ótica infravermelha. Asprincipais especificações são:

CNY70 Vishay TelefunkenFaixa de Medição 500 a 11000 rpmIncerteza 50rpmSaída Analógica e DigitalCusto US$30.00Uma alternativa a estas chaves óticas são os sensores

indutivos que equipam muitos motores. Neste caso, ocircuito de condicionamento desenvolvido pode serempregado.

AltímetroPara medir a altitude da aeronave, o sensor esco-

lhido foi um transmissor de pressão absoluta, baseadoem strain gages MEMS, amplificado. Um segundo está-

gio de amplificação é necessário para obter uma boa re-solução. O encapsulamento deste sensor permite a liga-ção direta da tomada de pressão. As especificações destesensor são:

MPX5100AP MotorolaFaixa de Pressão 57 a 101 kPaFaixa de Altitude 0 a 15000 FtIncerteza 2,5% FESaída AnalógicaCusto U$100.00Pode ser necessário mais de um sensor para co-

brir toda faixa de pressão.Velocidade (Tubo de Pitot)Para medir a velocidade da aeronave, o sensor

escolhido foi um transmissor de pressão diferencial, ba-seado em strain gages MEMS, amplificado. Um segundoestágio de amplificação é necessário para obter uma boaresolução. O encapsulamento deste sensor permite a li-gação direta das tomadas de pressões do tubo de pitot.As especificações deste sensor são:

MPX5010DP MotorolaFaixa de Pressão 0 a 10kPaSaída AnalógicaIncerteza 2,5% FEPressão de ruptura 100kPaCusto U$100.00Medidores de TemperaturasForam selecionados dois tipos de sensores. Para

baixas temperaturas utilizaremos um transmissor de tem-peratura, tipo termistor, amplificado. Este sistema nãonecessita de condicionamento de sinal, pois o sensor éamplificado por circuitos internos. Cujas especificaçõessão:

LN35 National SemiconductorFaixa de Temperatura -55 a 150ºCIncerteza 0,5ºCSaída AnalógicaCusto do Sensor US$50Para altas temperaturas utilizaremos um termopar

com compensador de junta fria. Este circuito necessitade condicionamento de sinal. As principais especificaçõessão:

LKT001 Linear technologyFaixa de Temperatura -270 a 1300ºCIncerteza 1ºCSaída AnalógicaCusto do Sensor US$50Monitoramento da BateriaComo medidor de corrente da bateria, utilizare-

mos um sensor de efeito hall. Este sensor não necessitade condicionamento de sinal. As especificações destesensor são:

LA55P LEMFaixa de Medição 0 a +70AIncerteza +-0,9%FESaída AnalógicaCusto US$50



Como medidor do nível de tensão da bateria, uti-lizaremos um divisor resistivo. As especificações são:

Faixa de Medição 0 a 12VIncerteza 0,1VSaída AnalógicaCusto US$20.00Sensor de CombustívelPara medir o nível de combustível nos tanques,

escolhemos um sensor tipo bóia ligado a um reostato, osinal de saída varia de acordo com a posição da bóia.Este sensor é semelhante aos automotivos. As principaisespecificações são:

Faixa de Medição 0 a 100%Incerteza 1%Saída AnalógicaCusto US$100.00IndicadoresOs indicadores de stoll, flap, freios, trem de pou-

so, óleo e luzes de sinalização, são chaves. Utilizaremosportas lógicas para o chaveamento.O custo de cada indi-cador deve girar em torno de US$20.00.

Placa de AquisiçãoDuas versões de placa A/D foram utilizadas no pro-

tótipo. A primeira foi uma placa comercial de oito ca-nais. Devido à necessidade de um maior número de ca-nais, construímos uma placa com dois conversores seriaisde oito bits cada, conectados à porta paralela. Cadaconversor possui oito canais analógicos, totalizando 16canais de entrada. A velocidade do sistema é limitadapelo sistema operacional e pelas características dobarramento do computador. As principais especificaçõessão:

Comunicação via porta paralelaCanais Analógicos 16Resolução 8bitsTaxa de Amostragem Máxima 31KHzIncerteza +-0,02VCusto US$300.00CPU CentralComo computador de bordo foi escolhido um

módulo de CPU do tipo PC-on-a-Chip, associada a umdisco de memória flash. As principais especificações são:

TWT104 TWTCPU de 32 bits 133 MHzEspecificação PC/104 –ICCFaixa de Temperatura 20 a 70°CCusto US$1,500.00DisplayFoi escolhido para o protótipo um monitor de

14“ de cristal líquido sensível ao toque (touch scream).O custo deste monitor gira em torno de US$1,500.00.

Os sistemas atuais de Head Up Displays são decusto muito elevados e possuem uma vida útil reduzida.Pesquisas recentes procuram substituí-los por projeto-res baseados em técnicas holográficas que utilizam laserde estado sólido de baixa potência. Estes dois sistemas

não são atualmente economicamente viáveis para avia-ção geral.

Fonte e CabeamentoO protótipo utiliza duas fontes ATX que fornecem

as tensões de +-5V e +-12V.e corrente de 3A A alimenta-ção da fonte é proveniente de duas baterias chumbo-ácido de 12V, dedicadas somente a instrumentação.

O cabeamento é blindado e possui os pares tran-çados. A alimentação segue por um ou dois pares e ossinais pelos pares restantes. O custo estimado para fontee cabeamento é de US$300.00.

Módulo GPSUm sistema de GPS pode ser incorporado à

instrumentação prevista através da interface RS232 docomputador de bordo. As especificações são:

FV-12 SirfInterface NMEA 0183Faixa de temperatura -40 a 85°CCusto US$300.00Este sistema exige uma alteração no software para

gerar uma tela ou instrumentos de navegação.Rádio e NavegaçãoOs equipamentos de rádio e de navegação são

padronizados e sua substituição implicaria um desen-volvimento mais caro e demorado, portanto estes equi-pamentos foram excluídos desta análise.

4 ANÁLISE DE CONFIABILIDADE

Em geral quando um sistema de instrumentaçãodigital é implementado, utiliza-se por segurança um se-gundo painel com instrumentos analógicos redundantes.Esta solução duplica o custo da aviônica para pequenasaeronaves. Uma alternativa é tornar o horizonte artificial,o indicador de velocidade e o altímetro um sistema re-dundante de baixo custo. Considerando todo o sistemade aviônica, as piores falhas ocorrerão no software, ou nobarramento de comunicação ou no display. Em todos oscasos significará a perda da visualização dos instrumentos.Então, o horizonte artificial, o indicador de velocidade eo altímetro deveriam ser capazes de disponibilizar a infor-mação na ausência do computador de bordo. Os displaysLCDs são vantajosos e podem ser conectados aos sensoresmicroprocessados. A idéia é instalar um pequeno display,com limite de resolução gráfica, para informar continua-mente o horizonte, a velocidade e a altitude ao piloto.Em casos de emergência, pousará com o mínimo de ins-trumentos.

A análise de confiabilidade poderá ser aplicada acada sensor. Os condicionadores de sinais inteligentes sãocapazes de ler mais de um sensor e selecionar a melhormedida ou reconstituir um sinal ruim para um padrão,aumentando a confiabilidade.



5 RESULTADOS E CONCLUSÕES

a) um protótipo da aviônica básica para pequenasaeronaves foi implementado;

b) o custo total do protótipo é de US$5,000.00. Ocusto de um módulo para aeronaves comerciais ou mili-tares varia entre US$10,000.00 e US$50,000.00;

c) uma nova geração de sensores de baixo custose adequam às medidas de vôo;

d) os instrumentos redundantes poderão ser con-cedidos pelo próprio sistema;

e) um computador comercial poderá ser utilizadocomo computador de bordo;

f) o sistema poderá ser desenvolvido utilizandoos barramentos USB e CAN;

g) o sistema poderá ser testado em vôo para pro-var sua efetividade;

h) os testes em vôo poderão ser realizados usan-do aeronaves rádio-controladas para reduzir o perigoao ser humano.

6 ABSTRACT

This work treats of a project aiming theconstruction of a virtual panel of instruments of a ge-neral aviation aircraft. In addition, it could be appliedthe other vehicles as automobiles, trucks and ships.This project follows the tendency of recent researchesof NASA for interfaces between pilot and aircraft thatwill permit to the general aviation community accessto modern multifunctional displays that will becomethe piloting easier and safer. This work consists indeveloping software for acquisition and visualizationand in specification of an analogical/digital conversioncard and low cost sensors that will be used to measurethe variables related to the movement of the aircraft.

7 AGRADECIMENTOS

À professora Ana Maria Anápoles.Ao CNPq, este trabalho foi desenvolvido com uma

bolsa de Iniciação Científica do CNPq, pelo programaPIBIC.

8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1 THOMPSON F. C. Dicionário Visual daAviação, Dicionários Visuais, Verbo, Lisboa,1993, p. 16.

2 PACIFIC COAST AVIONICS CORP. ProductCatalog, PCA, Aurora, 2001, p. 76.

3 NASA. Advanced General AviationExperiments-AGATE, Program homepage:agate.larc.nasa.gov, accessed in Feb./2000.

4 GUIMARÃES, A. A. Eletrônica Embarcada em

Automóveis – Parte 1, Saber Eletrônica, Saber,São Paulo, v. 39, n. 363, Abril/2003, p. 40-43.


Automóveis – Parte 2, Saber Eletrônica, Saber,São Paulo, v. 39, n. 364, Maio/2003, p. 20-24.


Automóveis – Parte Final, Saber Eletrônica,Saber, São Paulo, v. 39, n. 365, Jun/2003, p. 18-22.

7 AXELSON, J. USB Complete, LakeviewResearch, Madison, 1999, 396p.

8 BRAGA, N. C. USB Universal Serial Bus,Saber Eletrônica, Saber, São Paulo, v. 36, n.332, Set/2000, p. 9-13.

9 SCHIAVONE, A. J. Military avionics fly offthe shelf, Aerospace America, AIAA, Washington,D.C., Feb/1996, p. 28-32.

Aviônica de baixo custo para aviação geral

Documents

Transcript of Aviônica de baixo custo para aviação geral