O propósito do trabalho consiste em desenvolver os algoritmos necessários para o acionamento (controle) dos instrumentos aviônicos de navegação aérea do simulador de aeronave TUCANO, denominacao Embraer - EMB 312 e denominação FAB T-27 no momento está sendo revitalizado (modernizado) pelo ITA. Os instrumentos utilizados nesta aeronave e que foram simulados neste trabalho, são os seguintes: "RMI" - (Radio Magnetic Indicator) - relativo a um sistema ADF (Automatic Direction Finder). "HSI" - (Horizontal Situation Indicator) - utilizado pelo ILS (Instrument Landing System) e pelo VOR (VHF - Omni Range). Indicador do sistema "DME" - (Distance Measuring Equipment). Para se efetuar a simulação dos instrumentos descritos, considera-se a Terra uma esfera. Os cálculos utilizam conceitos da trigonometria esférica e emprega-se o método do "Seno-Verso". Para obter-se a posição da aeronave, levou-se em conta as equações simplificadas da mecânica do vôo do Tucano. As posições dos Rádio Auxílios (RA) são acessadas de um banco de dados. Os cálculos foram implementados em linguagem C e desenvolveu-se em uma tela gráfica para os instrumentos simulados, de forma estilizada.

Este trabalho propõe e avalia, através de simulação, um sistema de controle multivariável para o pouso automático de um mini-VANT em pista curta valendo-se de tubo de pitot, sensores girométricos, GPS, altímetro-pressão e altímetro-ultrassom embarcados. A manobra visa automatizar o procedimento de pouso realizado por piloto experiente de aeromodelo radiocontrolado, o qual é caracterizado por uma etapa descendente com variação simultânea de azimute para alinhamento da proa com a pista, seguida por descida segundo rampa íngreme e arredondamento final antes do encontro do solo. Tal manobra é motivada quando há disponível apenas uma pequena extensão de pista e cujas dimensões da zona de aproximação livre de obstáculos impeçam o pouso com emprego de rampa longa e suave alinhada com o eixo da pista. A brusca variação de altitude e azimute simultaneamente, no entanto, acaba por provocar o acoplamento dinâmico dos modos de resposta nos planos longitudinal e látero-direcional da aeronave, fator que introduz maior complexidade no projeto de um controlador robusto às perturbações externas e às incertezas de modelagem. A aeronave utilizada no estudo foi o aeromodelo de treinamento de pequeno porte Alpha60 da Hangar-9, originalmente radiocontrolado, disponível comercialmente e amplamente utilizado por aeromodelistas. Suas principais características foram determinadas a partir de ensaios em túnel de vento, os quais juntamente com os dados obtidos de softwares de modelagem CAD e CFD permitiram a definição de um modelo adequado para o projeto e validação do piloto automático para pouso. A técnica de controle, alocação de autoestrutura, mostrou-se uma alternativa efetiva para lidar com o acoplamento das dinâmicas longitudinal e látero-direcional existente durante a etapa em curva descendente. Foram avaliados diversos cenários de pouso, com a aeronave exposta a turbulências do tipo Dryden e vento constante de magnitude média de até 31 km/h, aproximadamente 50% da velocidade da aeronave durante a etapa de aproximação para pouso. Adicionalmente, investigaram-se efeitos na variação dos parâmetros do veículo e ruído nos diversos sensores. Nos casos em que o vento sopra lateralmente à aeronave com magnitude elevada, observou-se que o desvio em relação à pista após a etapa em curva descendente pode ser demasiado elevado visto que o controle lateral se dá somente em azimute, e a posterior descida segundo uma rampa íngreme se torna inviável. Nestas situações, torna-se necessário percorrer um trecho adicional, sem perda de altitude, para correção do desvio lateral e posterior descida. A fim de evitar esta etapa adicional, foi proposta uma estimação da velocidade do vento lateral baseada nas características do voo em cruzeiro. Com esse mecanismo, em caso de vento lateral em um nível aceitável, a descida pode ser conduzida logo após a etapa de curva descendente, dando à manobra características semelhantes àquela executada por piloto experiente de aeromodelo radiocontrolado. Ao final, obteve-se um piloto automático capaz de realizar o pouso em uma pista de extensão média entre 235 e 329 metros, dependendo da intensidade e direção do vento, e com erro lateral médio inferior a 2,5 metros

No que tange ao emprego militar, é recomendável que veículos aéreos não tripulados efetuem sua navegação de maneira autônoma e independente do GPS, pois os sinais deste podem ser bloqueados ou ser alvo de interferência. Dessa forma, uma boa alternativa é pautar a navegação desses veículos em visão computacional. Este trabalho vai ao encontro com as reais necessidades do projeto PITER, na busca de se segmentar imagens aéreas em porções urbanas e não urbanas, fazendo uso dos algoritmos não supervisionados Fuzzy C-Médias, Mistura de Gaussianas, Distância Euclidiana e K-Médias, além de ser utilizado o algoritmo de classificação por contexto após a classificação. Por fim, é mostrada qual combinação de algoritmos gera os melhores resultados.

Por anos o voo dos insetos intrigou os seres humanos. Em alguns aspectos não encontra par entre os voos de outros animais, especialmente nas questões de desempenho e manobrabilidade. Devido a estas características e às deficiências de configurações convencionais de aeronaves em regime de baixo número de Reynolds, têm sido desenvolvidas configurações de micro veículos aéreos (MAVs) baseadas em insetos. Entretanto, ainda há muitos desafios que envolvem o estudo dos mecanismos relacionados com o voo dos insetos. Um entendimento maior destes mecanismos possibilitaria o desenvolvimento de MAVs mais eficientes e eficazes. Neste contexto, a eficiência do movimento periódico inspirado no voo dos insetos foi investigada utilizando duas metodologias: o modelo quase-estacionário e simulação numérica bidimensional. Verificou-se a influência do desvio em relação ao plano de batimento (stroke deviation) horizontal em uma situação de voo pairado, modelando a asa da mosca Drosophila melanogaster por um perfil elíptico bidimensional executando um movimento formando a "figura-de-oito". Novas equações cinemáticas foram propostas para representar a trajetória da asa de modo a permitir uma variação maior de parâmetros do movimento no eixo vertical, o que permitiu obter, por meio de otimização utilizando o modelo quase-estacionário, os limites teóricos da eficiência aerodinâmica. Com base nestas otimizações e em variação dos parâmetros cinemáticos, resultados obtidos por estudos anteriores foram explicados e verificou-se a possibilidade de redução de gasto energético no voo pairado por meio da implementação do desvio do plano horizontal. Simulações numéricas por dinâmica dos fluidos computacional foram realizadas para investigar esta possibilidade e notou-se que a potência do momento aerodinâmico adiciona uma parcela significativa à potência total, o que não é contabilizado no modelo quase-estacionário devido a simplificações. Posteriormente, concluiu-se que, nos casos estudados, as diferenças na eficiência não foram significativas e que, em razão de efeitos não estacionários, em especial a interação entre asa e esteira, a força vertical média se comporta de maneira contrária à prevista pelo modelo quase-estacionário. Finalmente, o mecanismo de captura de esteira foi analisado e foram identificadas mudanças significativas em seus efeitos, induzidas pelo desvio do plano horizontal, as quais puderam ser explicadas devido às alterações na cinemática do perfil.

Este trabalho apresenta uma abordagem paramétrica de monitoramento do acúmulo de dano em pontos críticos em fadiga da estrutura de aeronaves, considerando, individualmente, o seu perfil de operação. Para isso, são utilizadas Curvas de Crescimento de Trinca Normalizadas (CCTN), uma vez que elas relacionam o dano causado pelo crescimento de trinca à vida em fadiga, independentemente de como a aeronave é operada. A teoria foi apresentada sequencialmente, abordando conceitos de Mecânica da Fratura Linear Elástica (MFLE), Propagação de Trinca por Fadiga e a elaboração da metodologia proposta. Antes de aplicar a teoria proposta, foram utilizados programas de computador, desenvolvidos pela Subdivisão de Integridade Estrutural (ASA-I) do Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE), para determinar os ciclos de tensão aplicados em cada ponto crítico, considerando os diferentes tipos de missão realizados pelas aeronaves F-5M, e simular o crescimento de trinca nos pontos críticos, utilizando os ciclos de tensão aos quais eles são submetidos durante a realização de cada tipo de missão. Os dados de crescimento de trinca de crescimento de trinca gerados durante as simulações são tratados conforme a norma ASTM E 647 e ajustados da forma integral das equações de taxa de crescimento de trinca de Paris e Forman, gerando as curvas de crescimento de trinca por meio das quais são geradas as CCTN. A metodologia proposta mostra-se mais apropriada, para aeronaves multimissão, que o DTA tradicional por garantir a integridade estrutural independentemente do perfil de operação da aeronave.

Frotas de robôs autônomos capazes de navegar com pouca ou nenhuma necessidade de um operador humano são de grande interesse em aplicações de robótica móvel. Um ponto fundamental para criação de frotas de aeronaves robóticas consiste em como organizar dinamicamente sua formação espacial durante a navegação em ambientes na presença de obstáculos. Este trabalho tem como objetivo apresentar um método de formação de frotas de veículos autônomos não tripulados (VANTs) através da utilização de campos potenciais artificiais implementados em simulação. O agrupamento de VANTs através de modelos de campos potenciais artificiais permite um controle dinâmico do formato da frota e um comportamento reativo a presença de obstáculos no ambiente. É apresentada uma introdução sobre a teoria de campos potenciais, e suas diferentes formas artificiais para síntese de comportamento quando utilizado em agrupamentos de frotas e desvio de obstáculos. Frotas de VANTs são representadas por conjuntos de partículas e a trajetória do centro de formação é guiada ao longo de uma rota planejada. Para o planejamento de rota é utilizado o algoritmo A*, modificado com um custo adicional através de campos potenciais repulsivos, para melhor incorporar as características dos obstáculos presentes no ambiente. Um método existente de formação de frotas por campos potenciais é implementado e estendido para casos tridimensionais, e simulações são conduzidas para agrupamentos de diferentes tamanhos e formas, em ambientes 2D e 3D, utilizando-se bibliotecas de código aberto e simulador Morse. Para alterar a forma do agrupamento dinamicamente sugere-se, neste trabalho, a utilização de sensores virtuais, capazes de fornecer um parâmetro de controle de forma para o campo interno de formação.

Neste trabalho, o problema de geração de trajetórias para Veículos Aéreos Não Tripulados em missões militares é modelado como um problema de otimização multiobjetivo que busca obter diferentes relações de compromisso entre comprimento total do percurso e exposição às ameaças de solo (e.g, radares e unidades de defesa antiaérea). A implementação computacional do modelo utiliza-se da Plataforma AEROGRAF, que permite a construção de cenários de otimização e a visualização dos resultados em ambiente georreferenciado. Ferramentas do campo da Otimização Evolutiva Multiobjetivo são utilizadas na abordagem, especificamente, os algoritmos denominados Generalized Differential Evolution 3 (GDE3), e Multiobjective Evolutionary Algorithm based on Decomposition (MOEA/D), que representam dois paradigmas de estruturação algorítmica distintos e vigentes na área. Os desempenhos dos algoritmos são mensurados e comparados a partir de quatro instâncias do problema, sob diferentes aspectos: esforço computacional, robustez ao ajuste de parâmetros, efetividade em lidar com restrições, e indicadores de qualidade. Os resultados experimentais fornecem parâmetros para subsidiar a opção por um ou outro método em função do tipo de cenário para o qual as trajetórias serão geradas. A abordagem multiobjetivo e o uso de ambiente georreferenciado permitem que o decisor tenha conhecimento de diferentes possibilidades antes de fazer a escolha da trajetória mais adequada ao cenário vigente.

Grande parte das técnicas de navegação utilizadas em Veículos Aéreos Não-Tripulados (VANTs) é baseada na integração de sistemas de navegação por satélites (GNSS - Global Navigation Satellite System) e sistemas de navegação inercial (INS - Inertial Navigation System). Entretanto, a utilização do GNSS oferece um grande desafio para a expansão da utilização de VANTs por estarem sujeitos à degradação intencional ou não dos sinais transmitidos pelos satélites. Assim, técnicas de navegação autônoma com mínima dependência do GNSS têm sido exploradas como um meio alternativo/colaborativo. Nesta dissertação, é utilizada uma técnica de navegação baseada em imagens para auxiliar a navegação de um VANT quando o GNSS não está disponível. Algoritmos como o SIFT (Scale Invariant Features Transform) são capazes de extrair características de imagens que, em combinação com técnicas de estimação e decomposição de homografias, permitem estimar variações de atitude e posição da aeronave de maneira independente. No entanto, essa decomposição pode resultar em duas soluções fisicamente possíveis para a homografia. Contudo, somente uma delas representa as características geométricas reais do objeto em vista. Verifica-se também que o conhecimento do vetor normal ao plano de visada é suficiente para determinar a solução correta. Assim, sob a hipótese de pequena mudança do vetor normal entre duas imagens em sequência, neste trabalho se investiga a determinação da solução correta para a decomposição da homografia, comparando-se os vetores normais estimados entre dois instantes de tempo. Com o intuito de avaliar o desempenho do sistema de navegação utilizando as variações de atitude e posição, obtidas via processamento de imagens, foram realizadas simulações utilizando um modelo de seis graus de liberdade de um VANT. Os resultados mostram baixos erros iniciais, porém devido ao procedimento de propagação de atitude e posição, há erros crescentes com o tempo, sugerindo que a navegação autônoma, isto é, sem auxílio GNSS não é viável por longos períodos, como esperado. Contudo, a existência de leitura eventual GNSS, que é uma hipótese realista, permite limitar esses erros. Para demonstrar o potencial da navegação por imagens e elevar a representatividade dos resultados, as simulações foram realizadas tomando fotografias reais como base para geração das sequências de imagens.

Nesta tese é abordada a utilização de observáveis específicas, formadas pela combinação linear de fases da portadora e pseudodistâncias, obtidas por dois receptores GPS em duas épocas distintas. O objetivo é obter estimativas das alterações no vetor linha-base entre os receptores com o passar do tempo, processo denominado, neste trabalho, de posicionamento relativo no tempo (PRT), balanceando simplicidade, precisão e baixa demanda computacional. Para o método proposto, apesar de ser necessário que ocorra rastreio contínuo da fase durante medidas consecutivas, nenhum procedimento de resolução de ambiguidades é necessário. A abordagem resulta em uma solução mais simples de computar do que as soluções obtidas pelo método Real-Time Kinematic (RTK), um dos mais acurados existentes hoje, com uma pequena deterioração na precisão, num sentido de PRT, para períodos e linhas-base curtos. Isso leva a aplicações em casos onde o deslocamento relativo a partir de uma posição inicial do usuário é de maior interesse do que sua posição absoluta num referencial terrestre, e quando a demanda computacional é restrita, como no caso da determinação e análise, em tempo real, de trajetórias de veículos aéreos não tripulados (VANTs). Para isso, primeiramente é adotada como observável principal uma combinação de fases, com a qual, através de ajustamentos sucessivos pelo método dos mínimos quadrados, se realiza o PRT. Uma análise teórica de erros para a adoção desta observável é realizada, seguida pela validação dos resultados, utilizando dados reais de gravações de receptores GPS. Por fim uma outra observável, baseada também em pseudodistâncias, é proposta e avaliada.

A rápida expansão dos Veículos Aéreos Não-Tripulados (VANT) civis apresenta um desafio para as entidades reguladoras tornarem possível a inserção destes no espaço aéreo comum às demais aeronaves, e assim garantir a segurança de voo. Contudo, a integração dos VANT, em espaço aéreo comum às demais aeronaves, representa um desafio ainda não solucionado pelas autoridades aeronáuticas mundiais. O novo cenário exige estabelecimento de regras e técnicas de operação fortemente amparadas por soluções tecnológicas para a denominada função de "perceber e evitar" (Sense and Avoid). Esta Dissertação de Mestrado apresenta considerações sobre a integração de VANT em espaço aéreo não-segregado no Brasil, a partir da análise das regras já estabelecidas para as demais aeronaves. Aborda uma discussão sobre nível equivalente de segurança necessário para o uso do espaço aéreo por VANT, para então propor soluções. Aborda aspectos relacionados às Regras do Ar, aplicadas às aeronaves tripuladas, transportando-as para o cenário do VANT. As funcionalidades dos Sistemas de Navegação Aérea do Futuro (Future Air Navigation Systems - FANS) e o Programa CNS/ATM são descritos e considerados primordiais para a integração dos VANT em espaço aéreo não-segregado. Finalmente, efetua uma análise dos processos já estabelecidos para investigação e prevenção de acidentes aeronáuticos, recomendando que o SIPAER adote processos semelhantes para VANT.