Entendendo o Piloto Automático

O piloto automático é hoje em dia o principal automatismo presente em aeronaves comerciais. Desde as formas mais simples até as formas atuais, mais elaboradas, o P.A. (também assim denominado) reduz consideravelmente a carga de trabalho do piloto, possibilitando ao mesmo se concentrar em outros ítens igualmente importantes do voo.

Um sistema de PA moderno normalmente possui um computador central, onde estão contidas as leis de controle que determinam o movimento da aeronave que iremos controlar. Este computador, através de sensores de posição e/ou movimento, determina a posição atual da aeronave, e, de acordo com os dados informados pelo piloto, ou por um computador de navegação , efetua a correção necessária através de servomotores e atuadores (hidráulicos, elétricos, pneumáticos).

Cada fabricante de aeronave entretanto, preferiu adotar uma arquitetura diferenciada de interfaces entre piloto aotomático e controles de voo. Descreveremos superficialmente aqui três arquiteturas diferentes, adotadas pela Airbus, Boeing e Embraer respectivamente.

Arquitetura Airbus

A Airbus optou por separar os computadores responsáves pelas leis de controle dos movimentos da aeronave. Neste caso temos os ELACs (Elevator Aileron Computer) SECs (Spoiler Elevator Computer) e FAC (Flight Argumentation Computer). No caso do A320 os ELAC são dispostos em pares e controlam o profundor e os ailerons e o estabilizador em modo normal. Já os SEC são três e controlam os spoilers e o estabilizador no modo stand-by. os FACs operam em pares também e controlam o leme , o sistema de Yaw Damper , o trim do leme e também realizam cálculos para os displays.

Entre cada superfície e os computadores de controle (ELAC SEC FAC) há dois canais: COM e MON. CON é o canal que efetivamente controla a superfície, enquanto o MON, certifica-se de que o canal de controle opera normalmente. A titulo de curiosidade, são utilizados microprocessadores 6800 de, 8 bits, da Motorola para os ELAC e o 80186, de 16 bits , da Intel para o SEC.

Uma característica marcante na arquitetura Airbus , é o fato dos comandos efetuados pelo piloto automático não mover o manche (Não existe o backdrive). Na verdade a Airbus foi além: retirou o manche da posição tradicional entre as pernas do piloto e instalou-o lateralmente sob a forma de um joystick , chamando-o apropriadamente de sidestick. Outra peculiaridade desta arquitetura, reside no fato do sidestick comandar razão de rolamento e não atuar diretamente na superfície. desta forma , quando retornamos o stick à posição neutra, a aeronave permanece na atitude comandada, diferentemente das aeronaves com manche tradicional , onde, ao retornarmos a coluna à posição neutra, a aeronave tende a retornar à atitude anterior. A vantagem imediata de se usar o sidestick ao invés do manche com coluna central e backdrive é a redução do peso e da complexidade.

Em caso de falha dos sistemas eletrônicos há um backup mecânico através do leme e estabilizador horizontal. Podemos descrever a atuação do Piloto automático da Airbus através do diagrama em blocos abaixo:

Arquitetura Boeing

A Boeing optou por uma abordagem mais tradicional na sua interface homem/máquina. O seu piloto automático atua sobre a superfície de comando e move a coluna do manche em correspondência ao comando efetuado. Esta abordagem de comandos com backdrive vem sendo adotada desde seus primeiros modelos. Vamos olhar agora, como a Boeing implementou esta filosofia no seu avião mais moderno, o Boeing 777 que é dotado de controles de voo fly-by-wire. Para o modelo 777, por exemplo, o computador que recebe inicialmente os comandos do PA é o AFDC – Autopilot Flight Director Computer.

Além dos comandos de PA, o AFDC é dotado de sensores que informam:

a) Posição dos transdutores;
b) Dados inerciais;
c) Informações sobre a atmosfera;
d) Dados do solo;
e) Acelerações da aeronave;
f) Velocidades e altitudes.

A partir dos dados de entrada, o AFDC pode processar:

• Comandos do Flight Director:
No próprio AFDC, temos as leis de controle que governam os movimentos da aeronave (arfagem, rolamento e guinada), proporcionando que os comandos de direção sejam calculados e, em seguida, enviados para um computador de controle de voo primário.

• Comandos do PA:
Através de sensores na superfície de controle, se tem uma realimentação com a finalidade de fornecer informações para que neste computador central se processe os comandos do PA.

• Comandos para o Backdrive:
A principal característica que diferencia a Boeing das demais é o fato de apresentar o backdrive, que se trata de um comando que movimenta o manche indicando qual foi o comando dado para a superfície de controle pelo Piloto Automático e transmitindo ao piloto uma indicação de como se está atuando nas superfícies de controle.

O AFDC possui três processadores (A, B e C). Os processadores A e B recebem comandos de backdrive de outro computador, o PFC – Primary Flight Computer, convertendo os sinais de backdrive digitais que recebe para analógicos. O Processador C processa as leis de controle do PA e do flight director, trabalhando também na detecção de falhas no sistema. Na malha de controle do sistema de piloto automático do Boeing 777, o AFDC, e envia sinais para o ACE e retorna ao AFDC comandos relacionados ao backdrive . O AFDC central não está conectado a nenhum atuador de backdrive , porém, os AFDC´s (esquerdo e direito) estão conectados a três atuadores de backdrive responsáveis pelo:

a) controle da coluna (movimento de arfagem)
b) controle lateral (movimento de rolamento)
c) controle do pedal (movimento de guinada)

Tacômetros alimentam o feedback do motor para os processadores no AFDC. O AFDC controla a corrente do motor para cada atuador do backdrive, o que limita a força que este aplica nas colunas, manche os pedais do leme, porém esta força é suficiente para que o atuador supere o atrito no sistema.

Como característica de manejo da aeronave, ela utiliza o tradicional manche, permitindo assim o funcionamento do backdrive , já que o side stick possui a característica de trabalhar com demanda. Outros pontos favoráveis a adoção da coluna são; possibilidade de introduzir sensores de força, de posição; permite adição de feel system. Os aumentos da complexidade e do peso são desvantagens ao se adotar esse modo.

Arquitetura Embraer:

A Embraer optou pela configuração do manche tradicional, entretanto seu sistema de backdrive opera de maneira diferente da arquitetura utilizada pela Boeing. Neste caso, o PA atua através de servomotores diretamente na coluna de controle proporcionando assim atuação nos comandos primários da aeronave, conforme a figura abaixo:









Nesta arquitetura existe uma grande unidade para controle eletrônico denominada MAU – Modular Avionics Unit, que calcula os comandos do PA, através do módulo AFCS – Automatic Flight Control System, responsável por processar as ordens do PA e enviar comandos para o servomotor que aciona a coluna e através do ADS – Air Data System, que processa sinais provenientes de sensores da aeronave. Além disso, há um barramento no MAU que comunica os sinais destas unidades. O diagrama da figura abaixo indica o funcionamento do sistema de controle de uma superfície, de acordo com a arquitetura de controle adotada pela Embraer.

Como aspectos de redundância do AFCS, tem-se a presença de dois canais, sendo que em cada um há dois processadores. Assim, um processador envia comandos para o servo, enquanto o outro monitora os comandos enviados pelo processador e analisa a presença de falhas. Além dos AFCS, existe uma unidade denominada FCM – Flight Control Module, que está relacionada com uma linha digital para controle do ACE.

Na Embraer, a presença do FCM está relacionada a mudança de ganhos na linha digital. Tais ganhos devem ser menores com o aumento da velocidade, pois a altas velocidades, as deflexões nas superfícies devem ser menores, de modo a evitar maiores danos à aeronave. No caso de falha no FCM, não haverá influência nos comandos do ACE, sendo estes todos analógicos, ou seja, independentes do FCM. A comunicação entre FCM e ACE é feita através do CAN – Computer Area Network.

Na configuração Embraer, ainda temos o NIC – Network Interface Computer. O NIC é responsável pela comunicação entre os módulos de modo que sejam levados em consideração aspectos da integridade durante o funcionamento. O AFCS envia um comando para o NIC, que deixa disponível os dados em uma “rede” para poderem ser utilizados pelos componentes do MAU.

Para os ERJ-135 / 140 / 145 são utilizados comandos hidromecânicos para leme de direção e aileron , enquanto que no profundor, ainda temos a presença de cabos e polias. No projeto do Embraer 170 / 175 / 190 / 195, foram utilizados sistemas fly-by-wire para os sistemas de controle de profundor e leme, enquanto que os do aileron são convencionais (hidromecânicos).

Fonte: Contato Radar
Por: Eng. Rodrigo Bertoli Rocha

Foto: Christian Galliker, Bailebao