BRPI1107029A2 - Sistema de comando para aeronave - Google Patents
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Abstract
Patente de Invenção: SISTEMA DE COMANDO PARA AERONAVE. A presente invenção refere-se a um sistema de comando poara aeronave consistindo em ao menos duas unidades ativas de órgão de comando e de ao menos um meio acoplador, sendo que o meio acoplador gera ou influência ao menos um valor teórico para regulagem de ao menos uma das unidades de órgão de comando ativas, sendo que o valor teórico gerado corresponde a um valor teórico de movimentação para um regulador de movimento.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA DE COMANDO PARA AERONAVE".
A presente invenção refere-se um sistema de comando para ae- ronave consistindo em ao menos dois órgãos de comando ativo e de ao me- 5 nos um meio acoplador.
As aeronaves atuais possuem um sistema de comando de dupla conformação para o piloto e copiloto. Neste caso, é indicado instalar uma conexão, ou seja, um acoplamento entre as duas unidades de comando. Este acoplamento sincroniza os dois dispositivos de comando a fim de que a 10 qualquer momento o outro piloto receba uma retrocomunicação sobre regis- tros de comando realizados. A sincronização deve também evitar conflitos de comando em potencial entre os dispositivos de comando acoplados.
Nos órgãos de comando ativo empregados trata-se de versões especiais do sistema fly-by-wire. Contrário às versões clássicas de manípu- 15 Io de comando clássico, nas quais forças que durante o vôo agem sobre a aeronave e que são transmitidas na forma de resistência e de flexão para a unidade de comando, esta retrocomunicação é dispensada nos sistemas convencionais de fly-by-wire.
Especialmente na técnica de navegação aérea para o piloto fre- quentemente é de grande vantagem uma transmissão de informação háptica do sistema de comando.
Órgãos de comandos ativos possibilitam a simulação das forças de comando incidentes e as adapta à respectiva situação do vôo a fim de conseguir desta maneira um apoio ótimo do piloto. As retrocomunicações 25 são transmitidas, por exemplo, na forma de movimento de sinais para o dis- positivo de comando, com o que é facilitada uma reação intuitiva do piloto para a respectiva situação de vôo. Além disso, o piloto recebe uma retroco- municação precisa sobre os registros de comando por ele realizados. Por- tanto, oferece-se ao piloto a possibilidade, também na utilização de um sis- 30 tema de comando elétrico, sentir o comportamento da aeronave durante o vôo.
A simulação das forças de comando incidente nos diferentes ór- gãos de comando ativo também desempenha papel essencial no acopla- mento. Para uma simulação realística das forças de comando incidentes, é conveniente levar em conta os estados nos diferentes órgãos de comando ativos na simulação da sensação.
5 O objeto da presente invenção reside em indicar uma arquitetura
para o acoplamento de ao menos dois órgãos de comando ativos.
Esta tarefa será solucionada pelo sistema de comando para uma aeronave de acordo com as características da reivindicação 1. Outras mo- dalidades vantajosas do sistema de comando são o objeto das reivindica- ções dependentes.
Assim sendo, o sistema de comando para uma aeronave se compõe ao menos de dois órgãos de comando ativos e de ao menos um meio de acoplamento. De acordo com a invenção, o meio de acoplamento gera ou influencia ao menos um valor teórico para uma arquitetura regulado- 15 ra de ao menos um dos órgãos de comando ativos. Este valor teórico serve para produzir a sensação, ou seja, uma simulação, das forças de comando incidentes nas unidades do órgão de comando ativos do sistema de coman- do. A geração, ou seja, influenciação do valor teórico para a unidade regu- ladora correspondente das unidades ativas de órgão de comando verifica-se, 20 de acordo com a invenção, com o auxilio do meio acoplador central, sendo que a geração do valor teórico, ou seja, a influenciação do valor teórico, ge- rado por outra unidade, pode ser realizada na dependência dos dados ofere- cidos pelos diferentes órgãos de comando ativos do sistema.
De acordo com a invenção, ao menos um órgão de comando a- 25 tivo abrange ao menos um regulador de movimentação. A atuação dos atu- adores/componentes reguladores para gerar as forças de comando sobre o órgão de comando ativo da unidade do órgão de comando para gerar a sen- sação, será compensada por um percurso regulador que trabalha no princí- pio de uma regulagem de movimento. Convenientemente, pelo meio aco- 30 plador pode ser gerado um valor teórico de movimento, ou seja, pode ser influenciado pelo meio acoplador um valor teórico já existente e que pode ser conduzido para ao menos um regulador de movimento de ao menos uma unidade de órgão de comando ativa.
Preferencialmente, para cada unidade de órgão de comando ati- vo será transferido um valor teórico correspondente. De modo especialmen- te preferido, cada unidade de órgão de comando apresenta ao menos um 5 regulador de movimento.
Para considerar separados os estados das diferentes unidades de órgão de comando, será conveniente que o meio acoplador gere, para cada uma das unidades de órgão de comando ativas, ao menos o valor teó- rico individual, especialmente um valor teórico de movimento individual.
Ao menos uma, de preferência todos os conjuntos de todas as
unidades ativas de órgãos de comando acoplados, envolvem ao menos um meio gerador de sensação, ao menos um regulador, especialmente regula- dor de movimento, e ao menos um meio registrador de grandeza de estado para a medição de ao menos uma grandeza de estado do órgão de coman- 15 do. Isto corresponde à arquitetura sistêmica mínima para concretizar uma unidade de comando ativa.
Os meios registradores de grandeza de estado são conformados como o sistema de sensores adequados que medem o estado do órgão de comando, ou seja, dos atuadores do órgão de comando, e comunicam os 20 valores medidos ao meio gerador de sensação. Na base das grandezas de estado recebidas, dentro do meio gerador de sensação será gerado um con- junto de dados correspondente à geração de sensação. O regulador empre- gado, especialmente o regulador de movimento, comanda os atuadores, ou seja, os componentes reguladores do órgão de comando a dependência de 25 um valor teórico correspondente, a fim de gerar uma sensação para o piloto no órgão de comando.
Pode-se imaginar que ao menos uma parte dos componentes das unidades de órgão de comando ativos seja realizada de forma unida. Especialmente, o componente parcial unido das unidades de órgão de co- 30 mando poderá estar integrada no meio acoplador. Mostrou ser conveniente a versão de um meio gerador de sensação centralizado que está integrado dentro do meio acoplador. Também se pode imaginar que para cada uma das unidades ati- vas de órgão de comando está alocada uma unidade acopladora. No caso, as unidades acopladoras das unidades de órgão de comando estão em liga- ção entre si a fim de produzir o intercâmbio de dados relevantes para gerar, 5 ou seja, para influenciar um ou vários valores teóricos. Simultaneamente torna-se possível um controle recíproco. A ligação de unidades acopladoras individuais geralmente é designada como meio acoplador.
Frequentemente são alocadas diferentes unidades de órgão de comando em áreas de tarefas diferentes. Pode-se imaginar que uma primei- 10 ra unidade de comando ativa esteja alocada ao piloto da aeronave, sendo que uma segunda unidade de órgão de comando ativa seja alocada ao copi- loto. Neste caso, será considerado conveniente que o meio acoplador pos- sibilite uma priorização das unidades de órgão de comando ativa. Por e- xemplo, a unidade de órgão de comando alocada ao piloto possui prioridade 15 mais alta, de maneira que os registros de comando com ela realizados são considerados prioritariamente.
Vantajosamente, podem ser integrados no meio acoplador um ou vários estados de grandeza internos e/ou externos das unidades de ór- gão de comando. As grandezas de estado internas descrevem um estado 20 do órgão de comando, isto é, por exemplo, a posição, a aceleração, ou seja, a velocidade com a qual o órgão de comando é movimentado. Nestas gran- dezas de estado externas integram-se, por exemplo, sinais de unidades ex- ternas que não estão nem mesmo em contato ou apenas indiretamente com o órgão de comando. Daí faz parte, por exemplo, sinais de um piloto auto- 25 mático da aeronave, ou seja, os sinais de circuitos externos atuadores, com- ponentes regulares ou semelhantes unidades. Outras possíveis grandezas de estado externas descrevem, por exemplo, a velocidade do vôo, a altura do vôo, ou seja, a posição do vôo da aeronave a ser comandada.
Uma vantagem essencial da invenção resulta pelo fato de que o meio acoplador usado pode ser desativado a qualquer ocasião e as unida- des do órgão de comando ativo acopladas podem ser operadas independen- tes entre si. Especialmente em caso de falha pode ser desativada uma uni- dade de órgão de comando defeituosa, sendo que as unidades de órgão de comando remanescentes permanecem operacionais e com capacidade fun- cional plena. De preferência, esta versão será usada em sistemas de co- mando de construção redundante.
Para efeito de intercomunicação entre as unidades ativas de ór-
gão de comando será vantajosamente previsto um sistema de barramentos. Em uma versão centralizada do meio acoplador, verifica-se uma comunica- ção das unidades de comando ativas através de sistema de barramentos com o meio acoplador. No caso de uma subdivisão do meio acoplador em 10 diferentes unidades acopladoras, alocadas às unidades ativas de órgão de comando acoplada, verifica-se uma comunicação direta entre as unidades de órgão de comando, ou seja, as unidades acopladoras.
Outras vantagens e detalhes resultam do exemplo de execução apresentado nos desenhos. As figuras mostram:
figura 1 - Diagrama de bloco de uma unidade de comando ativa
e
figura 2 - um sistema de comando com unidades de órgão de comando ativa.
A figura 1 apresenta um diagrama de uma unidade de órgão ati- 20 va. A arquitetura abrange um órgão de comando com mobilidade mecânica, na forma de um manipulo de comando 10, o qual está mecanicamente em ligação com ao menos um componente regulador 30, ou seja, ao menos um atuador 40 ativo. Preferencialmente, o atuador 40 é conformado como motor elétrico, cujo eixo propulsor produz através de uma estrutura de engrenagem 25 uma força mecânica sobre o manipulo de comando 10, gerando um movi- mento deste manipulo de comando. Como o manipulo de comando 10 pode ser livremente movimentado ao redor de um número aleatório de eixos, para cada eixo está previsto um componente regulador 30, ou seja, um atuador 40.
Além disso, a arquitetura abrange meios de registro 20, monta-
dos na mecânica do manipulo, e que servem para determinar a posição a- justada atualmente pelo manipulo de comando 10. Parâmetros como velo- cidade, aceleração e a força que por ocasião de uma ativação do manipulo de comando 10 sobre este passam a atuar, podem ser determinados por estes meios de registro 20. Outro sistema sensorial determina as grandezas de estado atuais 31, 41 dos atuadores 40 empregados, ou seja, os compo- 5 nentes reguladores 30 para ativação do manipulo de comando 10.
Para gerar o retroacoplamento regulado eletronicamente na de- pendência da ativação do manipulo de comando, serve o meio gerador de sensação 50. Na entrada do meio gerador de sensação 50 estão aplicados os sinais, gerados pelos sensores, dos estados de grandeza internos 20, 31, 10 41. Além disso, o regulador de posição 70, no lado da entrada, recorre às linhas de sinalização mencionadas dos sensores.
Para levar em conta a atual posição do vôo da aeronave tam- bém são registradas grandezas de estado 90 externas por sistemas sensori- ais externos, sendo transmitidos para o meio gerador de sensação 50. Entre 15 as grandezas de estado externas 80 se enquadram, por exemplo, a atual velocidade do vôo, a altura do vôo, o ângulo de flape ajustado, bem como os dados de medição dos giroscópios empregados nas aeronaves, bem como sinais correspondentes do piloto automático.
O modelo virtual do órgão de comando 60 baseia-se normalmen- 20 te em um modelo matemático que simula um manipulo de comando virtual. O modelo do órgão de comando 60, levando em conta as grandezas de es- tado registradas 20, 31, 41, gera uma variedade de valores simulados que abrangem uma posição virtual, bem como outras grandezas auxiliares do manipulo de comando 10. Os dados simulados serão conduzidos para o 25 regulador de posição 70, bem como para o meio gerador de sensação 50. Por exemplo, pode ser abandonada uma medição explícita de determinadas grandezas de estado porque estas podem ser calculadas com o auxílio do modelo do órgão de comando virtual 60, considerando-se as grandezas de estado recebidas 20, 31, 41.
Pelo emprego do modelo do órgão de comando virtual 60, teori-
camente pode-se abandonar totalmente uma medição energética, ou seja, uma regulagem de energia. O meio de geração de sensação 50 gera a partir dos estados de grandeza 20, 31, 41 alocados pelos sensores, pelas grandezas de estado e grandezas auxiliares virtuais do modelo do órgão de comando 60 virtual e pelas grandezas de estado externos 90, uma posição teórica para o manípu- 5 Io de comando 10. A posição poderá ser gerada mediante uso de uma linha característica registrada ou de um modelo sensorial, sendo que as linhas características, ou seja, os modelos de sensação devem receber diferentes características comportamentais. Por exemplo, pode-se mencionar o em- prego de um modelo de mola-massa ou uma linha característica de posição 10 de força aleatória, a qual, na dependência de uma grandeza de estado de força recebido, determina uma posição teórica predefinida para o manipulo de comando 10. Outras versões empregam uma linha característica da ve- locidade de amortecimento ou simulam uma chamada função de detenção ("Detent") e/ou de partida abrupta ("Break Out") e/ou de limitação de posi- 15 ção e/ou de parada suave e/ou simulam um modelo de fricção e/ou uma compensação ("offset") de força ou de posição e/ou uma limitação de força e/ou de velocidade.
Na entrada real do regulador de posição 70 estão aplicadas as grandezas de estado 20, 31, 41 do órgão de comando 10, bem como dos 20 atuadores 40. Considerando-se aposição teórica gerada pelo órgão gerador de sensação 50, bem como considerando as grandezas auxiliares virtuais, determinadas pelo modelo do órgão de comando virtual 60, será gerada uma grandeza reguladora 71 correspondente para os componentes reguladores 30 da arquitetura do órgão de comando. A grandeza reguladora 71 abrange, 25 por exemplo, tensões de comando aleatórias, correntes de comando, bem como demais grandezas de comando para a ativação do motor, ou seja, dos componentes reguladores.
Por motivos técnicos de segurança, o sistema de manipulo de comando abrange um meio de consolidação, ou seja, de monitoramento 80 que controle as grandezas geradas do regulador de posição 70, bem como as grandezas geradas pelo meio de gerador de sensações 50 e do modelo de órgão de comando virtual 60 e eventualmente os submete a uma verifica- ção de plausibilidade. Opcionalmente os respectivos dados do meio de mo- nitoramento, ou seja, de consolidação 80, serão fornecidos como comunica- ção de status de forma acústica ou óptica, através de um elemento indica- dor.
5 Como frequentemente, devido a razões de redundância, uma
aeronave está equipada com várias unidades de órgãos de comando de a- cordo com a figura 1, entre os diferentes sistemas empregados, deverá exis- tir um acoplamento. A comunicação entre as unidades será transformada através de uma ligação de sinal elétrica. Entre as arquiteturas de comando 10 das unidades acopladas, entre outras, comunicações de status do monito- ramento ou do meio de consolidação, ou os status de grandeza usados dos atuadores, ou seja, dos componentes reguladores, bem como dos órgãos de comando, serão substituídos.
Além disso, uma variedade de órgãos de comando, ou seja, de 15 unidades de órgãos de comando, serão usados não por motivos de redun- dância, porém ao invés disso, para concretizar diversas tarefas de comando. Por exemplo, um manche lateral ("sidestick") serve para realização de um movimento de rolamento e de balanço transversal de um helicóptero, ao passo que um segundo manche lateral comanda o movimento lateral. Tam- 20 bém aqui é forçosamente necessária uma geração de sensação, sincroniza- da para os dois manches, bem como o intercâmbio de diversos comunicados de status e grandezas de estado.
Um exemplo do acoplamento, de acordo com a invenção de di- ferentes unidades de órgãos de comando ativos pode ser depreendido da 25 figura 2. A arquitetura 200 consiste em um grande número de sistemas par- ciais n, interacoplados através do mecanismo de acoplamento 100. Pelos sistemas parciais 1 até n são todos conformadas de acordo com o exemplo de execução da figura 1. Ao mecanismo acoplador 100 serão comunicados as diferentes grandezas de estado Zi até Zn, que caracterizam o estado do 30 respectivo órgão de comando dos sistemas parciais 1 até n. Além disso, para o mecanismo acoplador, serão comunicados as grandezas de estado internas Zi extern até Zn extern, contendo informações do piloto automático, ou seja, sobre a posição de vôo atual da aeronave.
Baseado nas grandezas de estado alimentadas externas e inter- nas, para cada sistema parcial 1 até n será gerada uma grandeza acoplado- ra/grandeza teórica 1 até n, ou uma grandeza teórica já existente é influenci- 5 da e será alimentada ao sistema parcial 1 a n. Particularmente, a grandeza de acoplamento ou a grandeza teórica do percurso regulador é alimentada ao sistema parcial 1 a n, sendo que o percurso regulador é construído sobre o princípio de uma regulagem de posição, tal como mostrado em detalhe na figura 1.
A regulagem para a geração da sensação para cada sistema
parcial 1 até n, verifica-se por conseguinte na dependência do estado dos sistemas parciais 1 até n remanescentes. O número dos sistemas parciais acoplados não está limitado a um limite superior.
Basicamente, o numero aleatório dos sistemas parciais individu- ais podem ser desacoplados ou desativados sem prejudicar a função global do sistema de comando 200.
Também se pode imaginar uma função automática dos diferen- tes sistemas parciais de 1 até n. Um acoplamento se verifica, portanto, so- mente em casos de necessidade. Os sistemas parciais individuais 1 até n podem ser conformados em sentido recíproco redundante ou podem tam- bém cumprir diferentes áreas de tarefas dentro do sistema de comando 200.
No exemplo da figura 2, está representado um único mecanismo acoplador. Basicamente, a versão do sistema de comando 200 poderá ser realizada com grande numero de mecanismos acopladores dispostos em 25 forma descentralizada. Nesta hipótese, cada sistema parcial 1 até n apre- senta um mecanismo acoplador próprio, sendo que este está integrado no circuito através de um sistema de barramentos com os sistemas parciais 1 até n a serem acoplados. Também este acoplamento poderá ser separado a qualquer ocasião pelo mecanismo acoplador de maneira que cada sistema 30 parcial trabalha independentemente.
Claims (10)
1. Sistema de comando para aeronave constituído de ao menos duas unidades ativas de órgão de comando e de ao menos um meio acopla- dor, caracterizado pelo fato de que o meio acoplador gera ou influencia ao menos um valor teórico para a regulagem de ao menos uma das unidades de órgão de comando ativas, sendo que o valor teórico gerado ou influencia- do corresponde a um valor teórico de movimentação para um regulador de movimentação.
2. Sistema de comando de acordo com a reivindicação 1, carac- terizado pelo fato de que para cada uma das unidades ativas de órgão de comando pode ser gerado ou influenciado ao menos um valor teórico indivi- dual.
3. Sistema de comando de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que ao menos uma das unidades ativas de órgão de comando abrange ao menos um gerador de sensação, ao menos um regulador, especialmente regulador de movimento e ao menos um meio de registro de grandeza de estado para gerar ao menos uma gran- deza de estado.
4. Sistema de comando de acordo com a reivindicação 3, carac- terizado pelo fato de que ao menos uma parte dos componentes das unida- des ativas de órgão de comando estão unidos, e estão especialmente inte- grados no meio acoplador.
5. Sistema de comando de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o meio acoplador possibilita uma priorização das unidades de órgão de comando ativas.
6. Sistema de comando de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que uma ou várias grandeza de va- lor teórico, em partes diferentes, podem ser geradas pelo meio acoplador.
7. Sistema de comando de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que para o meio acoplador podem ser integradas uma ou várias grandezas de estado internas e/ou externas, sendo que a extensão do valor teórica respectiva a partir de uma ou de vá- rias grandezas de estado pode ser gerada ou influenciada.
8. Sistema de órgão de comando de acordo com uma das rei- vindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que os meios acoplado- res podem ser desativados a qualquer ocasião e as unidades ativas de ór- gão de comando podem ser operadas independentes.
9. Sistema de comando de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que está previsto um sistema de barramento para comunicação entre as unidades ativas de órgão de co- mando e o meio acoplador.
10. Aeronave com sistema de comando como definido em uma das reivindicações precedentes.
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