C4ISR ée a sigla em inglês para Comando, Controle, Comunicações, Computadores, Inteligência, Vigilância e Reconhecimento. Os sistemas C4ISR são definidos pelo Departamento de Defesa Americano como sistemas integrados de doutrinas, procedimentos, estruturas organizacionais, pessoal, equipamentos, instalações e comunicações projetadas para apoiar os comandantes no comando e controle nas operações e atividades militares. Um passo importante para implementação de um sistema C4ISR ée a construção de um simulador de uma plataforma C4ISR. Nesse contexto observa-se a necessidade de simulações de cenário para estímulo dos subsistemas que compõem o todo, com fins de testes e validações. Um dos elementos que podem estar presentes no cenário são aeronaves civis. Como a frota de aeronaves civis em operação ée muito grande, a simulação das trajetórias torna-se um tanto complicada devido a necessidade de muitas informações para alimentar modelos matemáticos de qualidade razoável. A Base de Dados de Aeronaves BADA, da EUROCONTROL, se propõe a diminuir esta dificuldade provendo informações de desempenho de aeronaves além de outros parâmetros necessários à simulação de dinâmica e, por conseqüência, à geração de trajetórias. Além da criação de um gerador de trajetórias, este trabalho também se propõe a integrar este gerador a outro trabalho de mestrado profissionalizante desenvolvido em paralelo, no qual foi desenvolvido uma aplicação Web para visualização de mapas usando elementos geo-referenciados.

Nesta Dissertação, ée apresentado um procedimento de projeto de leis de controle de vôo de aeronaves utilizando o Controle à Estrutura Variável ou Controle por Modos Deslizantes, levando em consideração robustez a incertezas paramétricas e redução de chattering. ÉE apresentada uma revisão sobre a utilização do Controle à Estrutura Variável no projeto de leis de controle de vôo de aeronaves; uma revisão dos principais conceitos do Controle à Estrutura Variável; uma apresentação de conceitos matemáticos e de Controle considerados no procedimento de projeto; a definição da função de chaveamento, das condições de alcance e do vetor de controle à estrutura variável considerados; o procedimento de projeto propriamente dito e a aplicação do mesmo no projeto de uma lei de controle para a dinâmica longitudinal de uma aeronave hipersônica genérica. O procedimento de projeto ée realizado a partir de abordagens teóricas claras (que definem procedimentos para ajuste do controlador a partir de parâmetros de desempenho) e procedimentos de cálculo numérico diretos. No exemplo desenvolvido, todas as exigências impostas ao controle, incluindo robustez de desempenho e estabilidade a incertezas paramétricas e eliminação de chattering, são satisfeitas.

Observando a evolução das aeronaves comerciais de transporte de passageiros, é possível perceber que há grande interesse por parte de fabricantes e operadores pela automatização de sistemas e tarefas relacionadas ao vôo. Neste âmbito, o presente trabalho tem por objetivo efetuar o projeto de um sistema de controle capaz de efetuar o seguimento de trajetórias tipicamente operadas por estas aeronaves. Primeiramente, foi explorado o cálculo de trajetórias típicas de vôo no plano vertical a partir da integração direta das equações do movimento. As condições de cruzeiro foram determinadas de modo a se minimizar os custos diretos de operação, enquanto que as etapas de subida e descida foram determinadas a partir de um perfil típico realizado em aeronaves comerciais. Em um segundo momento, os resultados do cálculo de trajetórias foram utilizados como guias para o projeto de um sistema de controle, que permitisse o seguimento destas trajetórias de maneira automatizada. A determinação dos ganhos é realizada a partir de técnicas algorítmicas de otimização aplicadas em modelos linearizados. O escalonamento dos ganhos é realizado a fim de se englobar diversos pontos do envelope de operação, quando aplicável. Por fim, o sistema projetado é simulado de maneira não linear a fim de verificar sua resposta diante de perturbações de rajadas de vento.

Esta dissertação apresenta uma investigação da aplicabilidade do método das diferenças finitas à resolução de problemas formulados através do Princípio do Máximo de Pontryagin, com o principal objetivo de utilizá-lo na otimização do desempenho de aviões. O método proposto é aplicado inicialmente à resolução de alguns problemas clássicos e, em seguida, à otimização da trajetória de um avião supersônico.

A aeronave ERJ-145, produzida pela EMBRAER, possui duas turbinas para prover empuxo. Essa disposição permite o uso somente do empuxo como um sistema de controle de emergência alternativo. A automatização desse sistema, referenciado como CVE, para Controle de Vôo por Empuxo, foi desenvolvido para auxiliar o piloto na manutenção de vôo controlado e pouso em caso de perda parcial ou total de autoridade nas superfícies primárias de controle de vôo. A verificação qualitativa do grau de controlabilidade obtido é realizada por pilotos da EMBRAER e da Força Aérea em vôos simulados realizados no "Full Flight Simulator" da EMBRAER, instalado na INFRAERO, em São José dos Campos.

Aeroportos no centro de cidades, em regiões montanhosas ou com obstáculos próximos à pista exigem ângulos de trajetória de aproximação mais íngremes que o usual. Os motivos para essa adequação são a necessidade de cumprimento das restrições quanto à emissão de ruídos ou até mesmo as limitações físicas impostas pelo relevo ou pelos obstáculos que rodeiam os aeroportos. A proposta deste trabalho é projetar um piloto automático de aproximação para uma aeronave executiva a jato em condição de steep approach (descida íngreme). Ao longo do texto, os fundamentos teóricos são apresentados e a estrutura do controlador é definida. Um modelo linearizado da aeronave em configuração de pouso é utilizado e o cálculo dos ganhos é realizado através da metodologia LQ (Linear Quadrática), ponderando-se os estados e o erro de estado estacionário. O desvio em relação ao estado estacionário é ponderado no tempo de forma a penalizar desvios grandes nos últimos instantes. Consideram-se ainda os valores de amortecimento dos pólos do sistema em malha fechada no cálculo do índice de desempenho. O sistema com o controlador projetado é avaliado em condições de distúrbios atmosféricos e quanto à qualidade de voo e estabilidade segundo critérios presentes na literatura. São incluídos os atrasos e saturações dos atuadores tanto no cálculo dos ganhos do sistema quanto nas simulações.

Este trabalho aplica o Método Indireto da Colocação para resolver numericamente Problemas de Valor de Contorno resultantes da aplicação da teoria controle ótimo ao problema de otimização de trajetórias de aeronaves. Uma extensão da implementação do método foi desenvolvida para incluir condições de contorno interiores, que surgem quando restrições são atingidas ao longo da trajetória, resultando num Problema de Valor de Contorno em Múltiplos Pontos (PVCMP). Quatro estudos de caso foram resolvidos numericamente para testar o método em questão e analisar as suas vantagens e limitações. Dois desses estudos de caso possuem documentados na literatura a solução numérica pelo Método Indireto dos Múltiplos Tiros, que é um dos métodos mais difundidos para resolver problemas de controle ótimo com restrições. Assim, também foi possível comparar as soluções de ambos os métodos e constatar na prática as vantagens e desvantagens de um em relação ao outro.

A determinação do componente horizontal da velocidade aerodinâmica no regime de baixas velocidades, tipicamente abaixo de 40 kt, tem sido um grande desafio para a engenharia de asas rotativas. Dentro desse contexto, este trabalho desenvolve um equacionamento matemático, em formato de redes neurais, para estimar o componente horizontal da velocidade aerodinâmica da aeronave AS 355 F2, por meio de programas computacionais elaborados em Matlab. Por meio de instrumentação embarcada existente na aeronave AS 355 F2, matrícula FAB 8816, são registrados parâmetros de voo tais como posições de comandos, velocidades angulares e atitudes. Essas medidas, obtidas em condições estabilizadas e em acelerações niveladas, são utilizadas como entradas e referências para as redes tipo backpropagation com aprendizagem supervisionada. São projetados dois tipos de redes: uma para estimação do componente horizontal longitudinal da velocidade aerodinâmica, u, e outra para a estimação do componente lateral, v. O treinamento das redes é realizado, por tentativa e erro, alterando-se o conjunto de parâmetros de entradas, o número de camadas escondidas, o número de neurônios por camadas e as funções de transferências por camada (função de ativação). Para tanto, é implementado o algoritmo de Levenberg-Marquardt na otimização dos pesos e biases. Após esse procedimento, um novo conjunto de dados de entradas é aplicado às redes que forneceram melhores resultados na etapa de treinamento, verificando-se uma associação de redes longitudinal e lateral contendo 11 parâmetros de entrada (as deflexões de comando do cíclico lateral, do cíclico longitudinal, de pedal, do comando de coletivo, ângulo de atitude longitudinal, ângulo de atitude lateral, razão de rolamento, razão de arfagem, razão de guinada, torque dos motores e peso do helicóptero) e duas camadas escondidas de 25 neurônios cada, como capaz de fornecer resultados satisfatórios de estimação dos componentes horizontais da velocidade aerodinâmica, em condições estabilizadas, com incerteza de 3,4 kt e 16, e resultados insatisfatórios de estimação da variação temporal em manobras de acelerações niveladas. Ainda, a contribuição do presente trabalho consiste na implementação, em ambiente Matlab, do modelo matemático em forma de redes neurais na telemetria do Grupo Especial de Ensaios em Voo (GEEV), comprovando sua viabilidade como ferramenta de ensaios em voo em tempo real.

Uma metodologia para Determinação de Tração em Vôo é apresentada. Trata-se de uma variação do Método do Erro Residual, um dos métodos de Análise do Escoamento/Bocal apresentados no documento SAE AIR 1703A. Na medida em que o valor de tração não é uma medida direta, o método procura minimizar os desvios do resultado dos cálculos, que levam em considerações medições nos bocais do motor, em relação ao valor real. Para isso, são utilizados ensaios em solo, em que se comparam resultados calculados e medidos em bancada. O resultado dessa comparação é um escalar, o FPC, aplicado à razão de pressão no Fan de modo a minimizar os erros de vazão mássica e de tração líquida em relação aos valores calculados. Para cada razão de pressão no Fan (FPR) é obtido um FPC a partir da minimização de uma função que considera o erro residual de tração e vazão em solo. A metodologia apresentada propõe o uso de diferentes pesos para os desvios de tração e vazão. O procedimento é implementado através de rotinas em VISUAL BASIC, no ambiente do MICROSOFT EXCEL. Tais rotinas são usadas com dados de ensaios em vôo e em solo para dois motores de mesmo modelo usados na aviação comercial. Inicialmente, os dados de ensaios são utilizados para a determinação de dados de FPC e tração e vazão em vôo. É possível verificar a repetibilidade do método e a variação da tração líquida com parâmetros como rotação do Fan, altitude e Mach. Em seguida, analisa-se a variação dos pesos da tração e da vazão na determinação de FPC e nos valores finais de tração líquida e vazão mássica. Com esses dados, verifica-se a sensibilidade dos erros residuais para o ensaio em solo e a variação dos valores finais de tração e vazão em relação aos valores de pesos. Finalmente, são feitas considerações sobre o uso da metodologia proposta em uma campanha de ensaios em vôo.

O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de uma lei de controle longitudinal para o rastreamento do sinal de glideslope através do uso da metodologia Linear Quadrática com realimentação de saída e restrições do conjunto de controles admissíveis. Várias condições de vôo de uma aeronave comercial a jato em aproximação para pouso, incluindo diferentes configurações de centro de gravidade, massa, velocidade e altitude foram consideradas. A arquitetura básica utilizada para o projeto consistiu na criação de uma malha interna, responsável pelo aumento de estabilidade do sistema (SAS), e de malhas externas, cuja função é efetuar o seguimento das variáveis que traduzem o perfil da trajetória. O cálculo dos parâmetros do controlador foi realizado por um método algorítmico de otimização local com restrições, de acordo com a metodologia proposta e utilizando matrizes de ponderação diagonais. O projeto do controlador feito de duas maneiras diferentes: síntese parcial ou conjunta dos ganhos. Para cada maneira são expostos os resultados, tais como resposta dos atuadores, análises de estabilidade e de qualidade de vôo. O controlador projetado através da síntese parcial dos ganhos apresentou melhores margens de estabilidade. Foram realizadas simulações temporais do modelo linear em malha aberta e em malha fechada, para efeitos de comparação. Foi possível mostrar que o sistema em malha fechada é capaz de efetuar o seguimento das trajetórias propostas, ainda que submetido a desvio das condições de equilíbrio, rajada e turbulência. Um escalonamento de ganhos do SAS, em função da velocidade verdadeira e da pressão dinâmica, foi proposto de modo a englobar o envelope de operação da aeronave. Através desse escalonamento, foi possível manter as mesmas características dinâmicas para o conjunto aeronave com SAS, independentemente da condição de altitude de vôo, massa da aeronave, posição do centro de gravidade e velocidade calibrada de aproximação.