Como implementar de forma econômica sistemas confiáveis de navegação de aeronaves com componentes de precisão

O desenvolvimento de soluções sofisticadas de dados aéreos, atitude e sistema de referência de rumo (ADAHRS) é fundamental para garantir a precisão da navegação e a segurança em sistemas de aeronaves tripuladas e não tripuladas. Para criar projetos de ADAHRS robustos e confiáveis, os desenvolvedores precisam de componentes que possam enfrentar vários desafios no projeto de sistemas de navegação aviônica, incluindo a precisão do sensor, a resiliência ambiental e a integração do sistema.

Este artigo descreve como os módulos de aquisição de dados de precisão e as unidades de medição inercial (IMUs) da Analog Devices abordam esses desafios e simplificam o desenvolvimento de soluções ADAHRS eficazes.

A segurança da aviação se baseia em sistemas sofisticados baseados em sensores

A disponibilidade de informações precisas sobre o desempenho de voo é fundamental para a segurança em todos os segmentos da aviação, desde sistemas aéreos não tripulados (UASs) até jatos pesados de passageiros. Acompanhando os aprimoramentos aerodinâmicos das aeronaves, os recursos dos sistemas aviônicos evoluíram do tradicional "pacote de seis" instrumentos de voo do piloto, baseado em bússolas magnéticas, giroscópios mecânicos e instrumentos de voo acionados a vácuo, para os cada vez mais sofisticados "cockpits de vidro" do sistema de instrumentos eletrônicos de voo (EFIS) com exibição gráfica.

Subjacente ao EFIS, o ADAHRS integra os recursos de um computador de dados aéreos e de um sistema de referência de atitude e direção (AHRS) necessários para complementar os auxílios de navegação do sistema global de navegação por satélite (GNSS) de longo alcance, como o sistema de posicionamento global (GPS) dos EUA e o sistema de aumento de área ampla (WAAS) baseado em terra associado ao GPS. O computador de dados aéreos calcula a altitude e a velocidade vertical, do ar e do solo usando medições da pressão atmosférica e da temperatura do ar externo. Para fornecer a atitude da aeronave (inclinação, rotação e guinada) e os dados de direção necessários para a navegação estimada na navegação inercial, o ADAHRS depende de uma combinação de giroscópios para alterações na velocidade angular, acelerômetros para alterações na velocidade linear e magnetômetros para a direção magnética. Os avanços na tecnologia de sensores mudaram radicalmente a natureza desses sensores essenciais.

No passado, giroscópios complexos de fibra óptica ou de laser em anel estavam entre as poucas tecnologias disponíveis que podiam oferecer precisão suficiente para a aviação. Atualmente, a disponibilidade de sistemas microeletromecânicos (MEMS) avançados oferece aos desenvolvedores uma tecnologia que pode atender aos requisitos de diversas plataformas de aviação (Figura 1).

Figura 1: Os giroscópios MEMS de ponta oferecem características exclusivas que os tornam a tecnologia preferida para sistemas aviônicos eletrônicos. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Juntamente com giroscópios, acelerômetros e magnetômetros, a funcionalidade do ADAHRS também depende de fluxos de dados confiáveis de sensores que informam a temperatura e a pressão do ar externo. Outros sensores de pressão, força e posição fornecem dados sobre a posição e a carga das superfícies de voo, do trem de pouso e da direção da roda dianteira. Sensores adicionais fornecem dados essenciais sobre o desempenho do motor e o combustível necessário para os sistemas de informação do motor, bem como a temperatura da cabine, a pressão e os níveis de oxigênio.

Uma combinação de módulos de aquisição de dados de sensores de alto desempenho e IMUs MEMS da Analog Devices fornece aos desenvolvedores os componentes críticos necessários para oferecer soluções aviônicas com características de confiabilidade, precisão, tamanho e custo que permitem sua aplicação em toda a gama de sistemas de voo da aviação.

Aplicação de módulos de aquisição de dados de sensores e IMUs na aviônica moderna

Para a aquisição de dados da ampla gama de sensores em qualquer plataforma de voo, os módulos de aquisição de dados de alto desempenho oferecem uma gama de recursos de desempenho para cada modalidade de sensor e requisito funcional. Com suas soluções de µmódulo de cadeia de sinais de precisão, a Analog Devices integra subsistemas de processamento de sinais comuns, incluindo blocos de condicionamento de sinais e conversores analógico-digitais (ADCs) em um dispositivo SIP (system-in-package) compacto para resolver desafios de projeto difíceis. Os µmódulos também incorporam os componentes passivos críticos com características superiores de casamento de impedâncias e desvio criadas com a tecnologia iPassive® da Analog Devices, que minimizam as fontes de erro dependentes da temperatura e simplificam a calibração, atenuando os desafios térmicos. A redução significativa da pegada pela solução permite a adição de mais canais/funções para instrumentos de aviação escalonáveis que exigem precisão e estabilidade em relação à temperatura e ao tempo. Os µMódulos simplificam a lista de materiais (BOM) da cadeia de sinais, reduzem a sensibilidade do desempenho aos circuitos externos, diminuem os ciclos de projeto e, portanto, reduzem o custo total de propriedade.

Projetados para atender aos exigentes requisitos de aquisição de dados, os µmódulos ADAQ4003 e ADAQ23878 da Analog Devices integram um amplificador totalmente diferencial para controlador ADC (FDA, Figura 2) com uma matriz de resistores casados com precisão de 0,005%, um buffer de referência estável e um ADC de 18 bits com registrador de aproximação sucessiva (SAR), capaz de fornecer desempenho de 2 mega-amostras por segundo (MSPS) e 15 MSPS, respectivamente.

Ao combinar um dispositivo de aquisição de dados de µmódulo, como o ADAQ4003, com um amplificador de instrumentação de ganho programável (PGIA) totalmente diferencial, como o LTC6373 da Analog Devices, os desenvolvedores podem implementar uma solução simples para muitos dos complexos requisitos de detecção dos sistemas de aviação.

Figura 2: Os desenvolvedores podem atender com eficiência a muitos requisitos de detecção de aviação combinando um PGIA LTC6373 totalmente diferencial com um sistema de aquisição de dados µMódulo ADAQ4003. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Conforme observado anteriormente, os sensores baseados em MEMS oferecem uma solução eficaz para fornecer os dados essenciais necessários para a funcionalidade do ADAHRS. Ao integrar giroscópios triaxiais MEMS e acelerômetros triaxiais com sensores de temperatura e outros blocos funcionais, as IMUs com seis graus de liberdade, como a IMU MEMS miniatura de precisão ADIS16505 e o sensor inercial de nível tático ADIS16495 da Analog Devices, fornecem o conjunto completo de funcionalidades necessárias para simplificar o desenvolvimento de subsistemas aviônicos (Figura 3).

Figura 3: A IMU ADIS16505 e IMU ADIS16495 (mostrada aqui) integram sensores com um controlador, calibração, processamento de sinal e blocos de autoteste para fornecer uma solução completa para sistemas de medição eletrônica subjacentes a sistemas aviônicos como o ADAHRS. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Combinados no ADAHRS, esses sistemas podem fornecer os componentes essenciais dos sistemas de navegação inercial capazes de fornecer a direção necessária para o destino desejado, mesmo sem auxílios de navegação por satélite ou em terra. Como em qualquer dispositivo fabricado, os dispositivos baseados em MEMS estão sujeitos a diferentes fontes de limitações de desempenho que podem prejudicar a precisão da navegação computada. Por exemplo, variações inevitáveis na fabricação, fontes de ruído interno e efeitos ambientais limitam a precisão de um giroscópio MEMS.

Os fabricantes documentam os efeitos de desempenho dessas variações em várias especificações de parâmetros na ficha técnica. Entre essas especificações, os parâmetros de sensibilidade, não linearidade e polarização podem afetar diretamente a precisão do ADAHRS. Nos giroscópios, a sensibilidade limitada (resolução de medição da taxa angular) pode resultar em erro de rumo (Ψ) e erro de posição (d_e) durante as curvas (Figura 4, à esquerda); a resposta não linear (desvio da resposta linear ideal) pode resultar em erros semelhantes após uma série de manobras, como curvas em S (Figura 4, no meio); e a polarização do giroscópio resulta em um desvio de rumo e posição mesmo durante o piloto automático (voo reto e nivelado sem aceleração) (Figura 4, à direita).

Figura 4: As limitações de sensibilidade, a não linearidade e a polarização do giroscópio podem resultar no acúmulo de erro de rumo (Ψ) e erro de posição (d_e) durante as curvas (esquerda), curvas em S (meio) e piloto automático (direita). (Fonte da imagem: Analog Devices)

Os erros de polarização decorrem do desalinhamento de cada eixo do giroscópio em relação a outros eixos ou ao pacote, erros de escala e a resposta incorreta do giroscópio à aceleração linear como rotação devido a assimetrias na fabricação do MEMS. Para suas IMUs ADIS16505 e ADIS16495, a Analog Devices determina fatores de correção de polarização específicos para cada dispositivo, testando-os em várias taxas de rotação e temperaturas. Esses fatores de correção de polarização específicos da peça são armazenados na memória flash interna de cada peça e aplicados durante o processamento do sinal do sensor.

Além dos fatores de polarização corrigíveis, o ruído aleatório de várias fontes afeta o erro de polarização ao longo do tempo. Embora não seja possível compensar esse ruído aleatório diretamente, seus efeitos podem ser reduzidos pela amostragem em tempos de integração mais longos. O grau em que tempos de amostragem mais longos reduzirão o ruído é descrito em um gráfico de desvio de Allan (ou variância de Allan) da ficha técnica do giroscópio, que exibe o ruído em graus por hora (°/h) versus o período de integração (τ) (Figura 5).

Figura 5: Os gráficos de desvio de Allan para os giroscópios MEMS na IMU ADIS16495 (esquerda) e na IMU ADIS16505 (direita) descrevem a capacidade do tempo de amostragem estendido de compensar o desvio aleatório. (Fonte da imagem: Analog Devices)

O mínimo do gráfico de desvio de Allan representa o melhor caso para o desvio do giroscópio ao longo do tempo, um parâmetro chamado de estabilidade de polarização em operação (IRBS), normalmente especificado em termos da soma da média e de um desvio padrão nas especificações da ficha técnica. Para os desenvolvedores que criam soluções ADAHRS altamente precisas, o valor IRBS de uma IMU fornece um parâmetro essencial para compreender o melhor desempenho possível com essa peça. Os especialistas em giroscópio classificam as IMUs, como a ADIS16495 da Analog Devices, como de "grau tático" quando os valores IRBS do giroscópio estão entre 0,5° e 5,0°/h.

O ADIS16495 apresenta especificações rígidas em vários parâmetros vitais para atender às aplicações táticas mais exigentes. Para ajudar no desempenho aprimorado, o ADIS16495 integra um par de giroscópios MEMS e uma cadeia de sinal de amostragem dedicada de 4100 hertz (Hz) para cada um de seus três eixos (Figura 6).

Figura 6: A IMU de nível tático ADIS16495 melhora a precisão do giroscópio e o desempenho de desvio calculando a média da saída de um par de giroscópios MEMS com cadeias de sinal dedicadas. (Fonte da imagem: Analog Devices)

As amostras de cada cadeia de sinal são então combinadas usando uma frequência de amostragem separada de 4250 Hz (f_SM) para fornecer uma medição de taxa angular que reduz o efeito do ruído. A combinação desse método de amostragem com especificações de desempenho mais rigorosas resulta em uma IMU capaz de atender a requisitos aviônicos mais exigentes.

Desenvolvimento e exploração rápidos de projetos baseados em IMU

Para ajudar a agilizar o desenvolvimento de projetos baseados em suas IMUs, a Analog Devices fornece um conjunto abrangente de ferramentas de desenvolvimento. Projetada para suportar a placa de teste IMU EVAL-ADIS-FX3 (Figura 7) e as placas breakout associadas, a pilha de software FX3 da Analog Devices inclui um pacote de firmware, uma interface de programação de aplicativos (API) compatível com .NET e uma interface gráfica do usuário (GUI). Uma biblioteca wrapper fornecida com a API permite que os desenvolvedores trabalhem com qualquer ambiente de desenvolvimento compatível com .NET, incluindo os do MATLAB, LabView e Python. Durante o desenvolvimento, a GUI de avaliação do FX3 permite que os desenvolvedores leiam e escrevam nos registradores, capturem dados e plotem os resultados em tempo real com facilidade.

Figura 7: A placa de teste EVAL-ADIS-FX3 faz parte de um pacote abrangente de suporte de hardware e software para se familiarizar com as IMUs da Analog Devices. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Conclusão

As soluções aviônicas da ADAHRS formam o coração dos EFISs em evolução. Com o desenvolvimento de giroscópios, acelerômetros e magnetômetros de precisão baseados em tecnologias MEMS, os sistemas aviônicos podem oferecer desempenho de voo e recursos de navegação que estavam fora do alcance de todas as frotas de aeronaves comerciais, exceto as maiores. Usando módulos de aquisição de dados e IMUs altamente integradas da Analog Devices, os desenvolvedores de aviônica podem projetar soluções menores e mais econômicas para atender aos rigorosos requisitos de funcionalidade, segurança e confiabilidade dos sistemas de aviação.