IDENTIFICAÇÃO DE MODELOS DINÂMICOS NO DOMÍNIO DA FREQÜÊNCIA APLICADA A SISTEMAS AERONÁUTICOS

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1 INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA CAP JACY MONTENEGRO MAGALHÃES NETO IDENTIFICAÇÃO DE MODELOS DINÂMICOS NO DOMÍNIO DA FREQÜÊNCIA APLICADA A SISTEMAS AERONÁUTICOS Dissertação de Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Engenharia Elétrica do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Ciências em Engenharia Elétrica. Orientador: Prof. Paulo César Pellanda - Dr. ENSAE, Co-orientador: Prof. Roberto Ades - Dr. PUC/RJ, Rio de Janeiro 25

2 c25 INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA Praça General Tibúrcio, 8-Praia Vermelha Rio de Janeiro-RJ CEP Este exemplar é de propriedade do Instituto Militar de Engenharia, que poderá incluí-lo em base de dados, armazenar em computador, microlmar ou adotar qualquer forma de arquivamento. É permitida a menção, reprodução parcial ou integral e a transmissão entre bibliotecas deste trabalho, sem modicação de seu texto, em qualquer meio que esteja ou venha a ser xado, para pesquisa acadêmica, comentários e citações, desde que sem nalidade comercial e que seja feita a referência bibliográca completa. Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do(s) autor(es) e do(s) orientador(es). M777i Montenegro, Jacy M. Neto Identicação de Modelos Dinâmicos no Domínio da Freqüência Aplicada a Sistemas Aeronáuticos / Jacy Montenegro Magalhães Neto. - Rio de Janeiro : Instituto Militar de Engenharia, p.: il, graf., tab. Dissertação (mestrado) - Instituto Militar de Engenharia- Rio de Janeiro, Sistemas Aeronáuticos. 2. Domínio da Freqüência. 3. Sistemas Dinâmicos 4. Identicação I. Montenegro, Jacy M. Neto II. Instituto Militar de Engenharia. III. Título. CDD

3 INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA CAP JACY MONTENEGRO MAGALHÃES NETO IDENTIFICAÇÃO DE MODELOS DINÂMICOS NO DOMÍNIO DA FREQÜÊNCIA APLICADA A SISTEMAS AERONÁUTICOS Dissertação de Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Engenharia Elétrica do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Ciências em Engenharia Elétrica. Orientador: Prof. Paulo César Pellanda - Dr. ENSAE,. Co-orientador: Prof. Roberto Ades - Dr. PUC/RJ, Aprovada em 25 de Janeiro de 25 pela seguinte Banca Examinadora: Prof. Paulo César Pellanda - Dr. ENSAE, do IME - Presidente Prof. Roberto Ades - Dr. PUC/RJ, do IME Prof. Carlos Frederico Estrada Alves - Dr. PUC/RJ, da UERJ Prof. Hélio de Assis Pegado - Dr. ITA, do IME Rio de Janeiro 25 3

4 "Formado em 1941 na primeira turma de engenharia aeronáutica da então Escola Técnica do Exército, hoje IME, o capitão Casemiro Montenegro seria o criador do Centro Tecnológico da Aeronáutica em 29 de janeiro de 1946, efetivamente implantado em 195 (...)"; "O tenente Juracy Magalhães tinha 25 anos em 193 e comandava o 22o Batalhão de Caçadores, baseado na Paraíba. Cruzou Pernambuco e Alagoas à frente de 6.5 homens, atravessou o Rio São Francisco e consumou a derrubada dos governadores de Sergipe e da Bahia (...)"; "O 1o Ten Acrisio dos Santos, no dia 27/11/1935 era 3o SGT da 2a CIA do 2o RI. Nesse dia, após rigorosa prontidão desde às 2:hs do dia 26, deslocou-se à frente de seu Regimento em transporte especial da EFCB às 5:3hs com destino ao QG da 1a RM, onde chegou às 6:3hs, cando aguardando ordens, e embarcando logo após com destino à Praia Vermelha, com o objetivo de atacar os rebeldes do 3o RI, onde acantonou e de onde só regressou em 16/12, com missão cumprida."com outras armas, mas sobre o mesmo solo. Ao meu lho, Leonardo "coração de leão", que chegue ao mundo herdeiro das tradições de uma família de guerreiros. 4

5 AGRADECIMENTOS Ao meu amigo Deus, com quem sempre converso, e que sempre me ouve. À minha mãe Gilda Maria "General", que deu sua vida para que eu chegasse aqui. Me ensinou tudo o que sei, e me fez tudo o que sou, sozinha. Ela também me deu meu primeiro avião. Mãe, isto é só o começo. Ao Dr Rex Nazaré Alves "Mestre", que acreditou em mim e me ensinou a colocar o amor pela ciência a serviço do meu País. Aos Profs Dr Flavio Araripe D'Oliveira e Dr João Pedro Caminha Escosteguy, que me abriram as portas no mundo da aeronáutica, me ensinando "altruisticamente, como fazer voar". Aos Professores Dr Luiz Carlos Sandoval Góes, Dr Karl Heinz Kienitz e Dr Elder Moreira Hemerly por me receberem de braços abertos e apontarem o caminho da identi- cação de aeronaves. Ao Prof Dr Nelson Paiva Oliveira Leite, que com tanto carinho e amizade me ensinou o que sei sobre ensaios em vôo. Aos Cap Fábio Almeida, Ten Paulo Cesar da Silva Guimarães, Ten André Luiz Schmaedecke, Gilmar Tadeu Cainelli e Luís Felipe Sivolella, parceiros de trabalho e estudo. E nalmente aos meus orientadores e amigos, Prof Dr Paulo Cesar Pellanda e Prof Dr Roberto Ades, que foram meus anjos da guarda nesta jornada. Com tanta paciência me deram as ferramentas necessárias - armas do bom combate, e algo que não se ensina no quadro - a postura correta para empunhá-las. "Eu fui para a oresta porque eu queria viver deliberadamente. Eu queria viver profundamente e sugar toda a essência da vida... encarar apenas os fatos principais da vida, e não tentar aprender aquilo que eu tinha que ensinar...me livrar de tudo o que não fosse vida (...) para que, quando eu morrer, eu não descubra que não viví." Henry David Thoreau 5

6 SUMÁRIO LISTA DE ILUSTRAÇÕES LISTA DE TABELAS LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS INTRODUÇÃO Contexto Veículos aéreos não-tripulados Síntese histórica Motivação VANTs e sistemas de controle Ensaios em vôo Ensaios em vôo e identicação Objetivos da dissertação Revisão bibliográca Organização da dissertação IDENTIFICAÇÃO DE SISTEMAS Conceitos de identicação Formalização do processo de identicação Dados de entrada e saída Família de modelos de estrutura Critério de identicação Procedimentos de validação Lado prático da identicação Ferramentas de identicação Preparação dos dados no domínio da freqüência Informações "caixa-cinza": Diagramas de Bode Análise modal Dinâmica linear básica O método de Levy

7 3 SISTEMAS EXEMPLO O simulador do míssil O simulador do F-16 Fighting Falcon APLICAÇÃO DAS TÉCNICAS DE IDENTIFICAÇÃO Identicação do modelo do míssil Identicação do canal 1 do míssil Identicação do canal 2 do míssil Identicação do modelo do F Identicação por ensaio em vôo Identicação do modo phugoid no domínio da freqüência CONCLUSÕES Resumo da contribuição Ponto de vista metodológico Ponto de vista da aplicação Críticas Perspectivas REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APÊNDICES Apêndice 1: Modelos de estrutura e diagramas de Bode

8 LISTA DE ILUSTRAÇÕES FIG.1.1 Dispersão temporal de publicações na área de VANT FIG.1.2 Malha de controle de aeronave com SAS FIG.1.3 Modelo pictórico de malha aberta de um VANT FIG.1.4 Aeronave genérica instrumentada para ensaio em vôo FIG.1.5 Exemplo de relação entrada x saída - Asa Fixa FIG.2.1 Modelo pictórico de sistema FIG.2.2 Algoritmo de Identicação FIG.2.3 Entrada e saída quaisquer amostradas no domínio do tempo FIG.2.4 Entrada e saída quaisquer no domínio do tempo ampliadas FIG.2.5 Módulo da FFT da entrada - sinal exemplo FIG.2.6 Módulo da FFT da saída - sinal exemplo FIG.2.7 Módulo da FRF - sinal exemplo FIG.2.8 Fase da FRF - sinal exemplo FIG.2.9 Modo longitudinal phugoid FIG.2.1 Modo longitudinal curto-período FIG.2.11 Modo látero-direcional dutch-roll FIG.2.12 Modo látero-direcional rolamento puro FIG.2.13 Modo latero-direcional espiral FIG.2.14 Pólos phugoid e curto-período do sistema exemplo FIG.3.1 Diagrama físico do míssil FIG.3.2 Diagrama de simulação do míssil FIG.3.3 Evolução temporal do míssil - amostras FIG.3.4 Forças atuando na aeronave FIG.3.5 Eixos principais da aeronave FIG.3.6 Pilotagem da aeronave FIG.3.7 Entradas do simulador FIG.3.8 Dinâmica do atuador de empuxo FIG.3.9 Saídas do simulador do F FIG.3.1 Interface do simulador do F FIG.3.11 Manobra de roll à esquerda - 2 das 4 entradas FIG.3.12 Manobra de roll à esquerda - 12 das 16 saídas

9 FIG.4.1 Amostras do vôo não linear do modelo do míssil FIG.4.2 Vôo não-linear do míssil - Canal FIG.4.3 Espectro em módulo da entrada do canal FIG.4.4 Espectro em módulo da saída do canal FIG.4.5 Módulo da FRF do canal FIG.4.6 Fase da FRF do canal FIG.4.7 Interpolação espectral do módulo da FRF do canal FIG.4.8 Interpolação espectral da fase da FRF do canal FIG.4.9 Comparação do diagrama de Bode de Ḡ1 com a FRF do canal FIG.4.1 Comparação Bode de Ḡ2 com a FRF do canal FIG.4.11 Comparação da resposta do míssil não-linear com a do identicado FIG.4.12 Pólos e zeros do míssil linearizado e identicado sobrepostos FIG.4.13 Pólos e zeros do míssil linearizado e identicado - coincidentes FIG.4.14 Vôo do modelo não linear do míssil - Canal FIG.4.15 Espectro em módulo da entrada do canal FIG.4.16 Espectro em módulo da saída do canal FIG.4.17 Módulo da FRF do canal FIG.4.18 Fase da FRF do canal FIG.4.19 Comparação do diagrama de Bode de Ḡ3 com FRF do canal FIG.4.2 Comparação do diagrama de Bode de Ḡ4 com FRF do canal FIG.4.21 Comparação do míssil não-linear com o identicado Ḡ3 - Canal FIG.4.22 Pólos e zeros do míssil linearizado e identicado por Ḡ3 - Canal FIG.4.23 Evolução temporal dos comandos durante o ensaio FIG.4.24 Evolução temporal das saídas não lineares do F-16 no ensaio FIG.4.25 Conversão de energia e phugoid FIG.4.26 Entrada e saída - modo phugoid FIG.4.27 Espectro em módulo da entrada - F FIG.4.28 Espectro em módulo da saída - F FIG.4.29 Módulo da FRF do F16 - phugoid FIG.4.3 Fase da FRF do F16 - phugoid FIG.4.31 Corte do módulo da FRF do F16 - phugoid FIG.4.32 Corte da fase da FRF do F16 - phugoid FIG.4.33 Pólos e zeros do F16 - phugoid FIG.4.34 Entrada e saída F-16 - segundo canal

10 FIG.4.35 Espectro da entrada doublet de profundor FIG.4.36 Espectro da saída - Velocidade do Ar FIG.4.37 Módulo da FRF do canal 2 do F FIG.4.38 Fase da FRF do canal 2 do F FIG.4.39 Pólos e zeros do canal 2 do F FIG.5.1 Manobras doublet e genéricas FIG.7.1 Resposta ao degrau - Passa baixa de ordem FIG.7.2 Diagramas de Bode - Passa baixa de ordem FIG.7.3 Resposta ao degrau - Passa alta de ordem FIG.7.4 Diagramas de Bode - Passa alta de ordem FIG.7.5 Resposta ao degrau - Passa baixa de ordem FIG.7.6 Diagramas de Bode - Passa baixa de ordem FIG.7.7 Resposta ao degrau - Passa alta de ordem FIG.7.8 Diagramas de Bode - Passa alta de ordem FIG.7.9 Resposta ao degrau - Passa banda de ordem FIG.7.1 Diagramas de Bode - Passa banda de ordem FIG.7.11 Resposta ao degrau - Rejeita banda de ordem FIG.7.12 Diagramas de Bode - Rejeita banda de ordem

11 LISTA DE TABELAS TAB.2.1 Zeros, pólos e ganho do sistema exemplo TAB.4.1 Zeros e pólos do míssil - Canal TAB.4.2 Ponto de VREN do F TAB.4.3 Pólos phugoid do F

12 LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS ABREVIATURAS ASA-G/IAE AEV/IAE ASA/IAE CTA CASOP CSNU DC DFT DoD EV ENSAE EPS FFT FRF GPS IME ITA/CTA IAE/CTA MIMO PUC-Rio SAS SISO SPPO UAV UERJ VANT VREN TRIM Subdivisão de Engenharia da ASA/IAE/CTA Divisão de Ensaios em Vôo do IAE/CTA Divisão de Sistemas Aeronáuticos do IAE/CTA Centro Técnico Aeroespacial Centro de Apoio ao Sistema Operativo - MB Conselho de Segurança das Nações Unidas Direct Current - Nível contínuo Discrete Fourier Transform Department of Defense - EUA Ensaios em Vôo École Nationale Supérieure de L'Aeronautique et de L'espace Variável do MATLAB - Floating point relative accuracy Fast Fourier Transform Frequency Response Function Global Positioning System Instituto Militar de Engenharia Instituto Tecnológico de Aeronáutica Instituto de Aeronáutica e Espaço Multiple-Input Multiple-Output Pontifícia Universidade Católica - RJ Stability Augmentation System Single-Input Single-Output Short-Period Pitching Oscilation Unmanned Aerial Vehicle Universidade do Estado do Rio de Janeiro Veículo Aéreo Não-Tripulado Vôo reto, estável e nivelado Condição de vôo idêntica a VREN 12

13 SÍMBOLOS R R + C α β t δ a δ e δ r δ th φ θ ψ γ Por denição igual a Aproximadamente Se e somente se Conjunto dos números reais Conjunto dos números reais estritamente positivos Conjunto dos números complexos Ângulo de ataque, graus ou rad Ângulo de derrapagem, graus ou rad Passo de integração numérica Deexão do aileron = (δ a,direita δ a,esquerda ) /2, graus Deexão do profundor (elevator), graus Deexão do leme (rudder), graus Empuxo percentual (throttle) Ângulo de Euler - rolamento (roll), rad Ângulo de Euler - arfagem (pitch), rad Ângulo de Euler - guinada (yaw), rad Ângulo de trajetória, rad ρ Densidade atmosférica, slug/ft 3 τ eng Constante de tempo do motor, s ω eng Velocidade angular do motor, rad/s a X Aceleração linear no eixo X da aeronave, g a Y Aceleração linear no eixo Y da aeronave, g a Z Aceleração linear no eixo Z da aeronave, g A Matriz de estados B Matriz de entrada C Matriz de saída D Matriz de transmissão direta b envergadura, f t c Corda média aerodinâmica, f t c 1...c 9 Constantes de inércia 13

14 C A C D C l C L C m C N C n C X C Y C Z Coeciente adimensional de força axial Coeciente de arrasto Coeciente adimensional de momento de roll Coeciente de sustentação Coeciente adimensional de momento de pitch Coeciente adimensional de força normal Coeciente adimensional de momento de yaw Coeciente adimensional de força no eixo-x Coeciente adimensional de força no eixo-y Coeciente adimensional de força no eixo-z g Aceleração da gravidade = 32, 174 ft/s 2 h Altitude em relação ao nível do mar, ft h eng Momento angular do motor no eixo X, slug.ft 2 /s I eng Momento de inércia do motor no eixo X, slug.ft 2 I X Momento de inércia no eixo X, slug.ft 2 I Z Momento de inércia no eixo Z, slug.ft 2 I XZ Produto de inércia XZ, slug.ft 2 m Massa, slug M Número de Mach p Velocidade angular no eixo X, rad/s q Velocidade angular no eixo Y, rad/s r Velocidade angular no eixo Z, rad/s P c Potência comandada percentual P a Potência real percentual q Pressão dinâmica, lb/ft 2 T Empuxo, lb S Área de referência, ft 2 s Freqüência complexa, rad/s u Velocidade linear no eixo X, ft/s v Velocidade linear no eixo Y, ft/s w Velocidade linear no eixo Z, ft/s V t Velocidade do ar, ft/s 14

15 RESUMO O desenvolvimento de veículos aéreos não-tripulados é apresentado como necessidade e desao tecnológicos para o País. As técnicas necessárias para tal são contextualizadas dentro das áreas de ensaios em vôo e sistemas de controle, de forma a adequar os procedimentos de identicação às situações reais das etapas práticas do desenvolvimento de aeronaves. Estudos a respeito da identicação de seu modelo matemático no domínio da freqüência são propostos, e um método de abordagem do problema é sugerido, baseado na geração da própria massa de dados no domínio do tempo via simulação não-linear. Para cumprir este objetivo, inicialmente é estudada a identicação de parâmetros sob a óptica da escolha do modelo de estrutura e condicionamento das entradas e saídas para a geração de uma base de dados adequada à conversão para o domínio da freqüência, sob a forma de análise espectral via transformada rápida de Fourier. Neste ponto, são denidos os critérios de validação do modelo identicado, e é estabelecida uma base de informações a respeito do aspecto dos modelos de estrutura possíveis, para diferentes características das respostas nos domínios do tempo e da freqüência. Em seguida, são introduzidas as ferramentas de análise modal, responsáveis pela compatibilização entre as linguagens de sistemas de controle e ensaios em vôo, bem como o método de Levy, de interpolação complexa, em uma versão adaptada neste trabalho à solução da identicação de modelos de funções de transferência de sistemas multivariáveis correspondentes a aeronaves de asa xa. Como fontes de dados, dois simuladores não-lineares foram implementados: o de um míssil genérico ar-ar e o de um caça F-16 Fighting Falcon. As ferramentas apresentadas são então utilizadas em uma determinada seqüência para a identicação de toda a dinâmica longitudinal do míssil, bem como de modos de oscilação especícos do F-16, este último por duas técnicas diferentes: ensaio em vôo e identicação no domínio da freqüência pelo método de Levy. Pólos e zeros multivariáveis são discutidos e associados ao comportamento físico das aeronaves sob teste. As soluções são nalmente comparadas com simulações dos modelos linearizados em pontos de operação escolhidos para vôos simétricos, estáveis e nivelados, concluindo o trabalho com a validação dos processos estabelecidos. 15

16 ABSTRACT The development of unmanned air vehicles is presented as technological necessity and challenge for the Country. The necessary techniques for such are described inside of the areas of ight tests and control systems, in order to adjust the procedures of identication to the real situations of the practical stages of the development of such aircraft. Studies regarding the identication of its mathematical model in the frequency domain are considered, and a method of dealing with the problem is suggested, based in the generation of the proper mass of data in the time domain through nonlinear simulation. To fulll this objective, initially the identication of parameters under the optics of the choice of the model structure and conditioning of the inputs and outputs for the generation of an adequate database to the conversion for the frequency domain is studied, under the form of spectral analysis through fast Fourier transform. At this point, the validation criteria of the identied model are dened, so is established a base of information regarding the aspect of the possible model structures, for dierent characteristics of the outputs in the time and frequency domains. After that, the modal analysis tools are introduced, responsible for linking the languages of control systems and ight tests each other, as well as the Levy's method, for complex interpolation, in a version adapted in this work to the solution of the model identication of transfer functions of multivariable systems such as xed wing aircrafts. As sources of data, two nonlinear simulators had been implemented: an air-to-air generic missile and a F-16 Fighting Falcon. The presented tools then are used in one determined sequence for the identication of the complete longitudinal dynamics of the missile, as well as in specic oscillation modes of the F-16, this last one by two dierent techniques: ight test and identication in the frequency domain using the Levy's method. Multivariable poles and zeros are discussed and associated to the physical behavior of the aircrafts under test. The solutions are nally compared with simulations of the linear models in the equilibrium operation points for symmetrical, steady and level ights, concluding the work with the validation of the established processes. 16

17 1 INTRODUÇÃO Neste capítulo é introduzido o conceito de veículos aéreos não-tripulados e estabelecido formalmente seu vínculo com as áreas de ensaios em vôo e sistemas de controle, em particular no que diz respeito à sub-área conhecida como "identicação". Serão desta forma delineados todos os conceitos e justicativas necessários ao desenvolvimento posterior, no qual será realizada a identicação dos modelos de uma aeronave e de um míssil, formalizando a contribuição deste trabalho: Um procedimento alternativo para identicação de sistemas no domínio aeronáutico, diretamente aplicável à classe das aeronaves não-tripuladas. 1.1 CONTEXTO VEÍCULOS AÉREOS NÃO-TRIPULADOS Os veículos aéreos não-tripulados (VANT), também chamados de Unmanned Aerial Vehicles (UAV), são denidos pelo Departamento de Defesa (DoD - Department of Defense)dos EUA como "Veículos propulsados, aéreos, que não carregam um operador humano, e se utilizam de forças aerodinâmicas para gerar sustentação, podendo voar de forma autônoma ou ser pilotados remotamente, podendo ser descartáveis ou recuperáveis, e podendo transportar uma carga útil letal ou não-letal". Citados formalmente pela primeira vez na edição "Jane's All the World's Aircraft" de 192, foram testados durante a Primeira Guerra Mundial, mas não em combate. Posteriormente, o uso pela Alemanha da "Bomba Voadora" V-1 durante a Segunda Guerra Mundial deixou o terreno preparado para a utilização dos VANTs em situações de conito, inicialmente pelos EUA no período pós-guerra, devido ao desenvolvimento tecnológico atingido neste período, o que trouxe o ferramental necessário ao vôo não-tripulado. Hoje, com dados do DoD/EUA de fevereiro de 23, apesar de os VANTs constituírem apenas 1% do quantitativo dos EUA em termos de aeronaves(asas xa e rotativa), os mesmos cumprem cerca de 33% das missões de reconhecimento aéreo realizadas, evidenciando uma forte tendência à substituição dos vôos tripulados nas situações de risco. Não há dados estatísticos de utilização disponíveis para o Brasil, mas a sua importância se evidencia na sua utilização pelos países classicados como desenvolvidos. 17

18 1.1.2 SÍNTESE HISTÓRICA Três eventos na história do mundo são atualmente considerados como estopins de mudanças na forma como as nações modernamente administram suas forças armadas no que diz respeito às estratégias de reconhecimento aéreo: O desmantelamento da União Soviética, os cortes mundiais dos orçamentos de defesa e a Primeira Guerra do Golfo Pérsico. O colapso soviético diminuiu as exigências de grandes orçamentos em sistemas da inteligência e infraestrutura estratégica. A nova ordem mundial que se levantou era não previsível e certamente não apropriada para os então atuais sistemas de inteligência. Acabaram-se as exigências para a monitoração intensa de atividades submarinas soviéticas, uma vez que a nova Rússia pós-perestroika deu as mãos aos EUA no programa espacial conjunto da Estação Espacial Internacional. O novo "inimigo número 1" passou a ser o terrorismo, que tomou o lugar das antigas preocupações com a Guerra Fria. As nações beligerantes hoje monitoram guerras civis, conitos étnicos e migrações de refugiados, ao mesmo tempo em que a realidade dos cortes com orçamentos militares obriga as forças armadas de todo o mundo a buscarem soluções mais baratas e exíveis, adequadas às novas situações de combate e de serviços de inteligência. Não há mais um teatro de operações bem denido. O combate moderno se trava com inteligência de sinais, imagens e pode ocorrer em qualquer local do globo. O último catalizador para a mudança foi a Operação Desert Storm, devido às suas ações de inteligência. O mundo acompanhou o conito praticamente em tempo real pelos meios de comunicações, tornando-se extremamente sensível às vítimas da guerra. Assim, evidenciou-se o pequeno número de baixas de combate nas forças aliadas aos EUA quando eram empregados VANTs no lugar de soldados. Todos estes eventos inamaram o fervor mundial pelos VANTs na execução de missões críticas sem risco para vidas humanas. Em particular, a Primeira Guerra do Golfo Pérsico foi responsável pelo grande aumento das pesquisas em todo o mundo nas áreas ans, como pode ser visto na gura 1.1, que mostra um gráco de dispersão temporal da quantidade de publicações correlatas, entre os anos de 1957 e 24, utilizando-se para isso a bibliograa referenciada ao nal deste trabalho, sendo esta suposta uma amostra representativa dos assuntos necessários à identicação de aeronaves não tripuladas. 18

19 1 9 Número de Publicações Ajuste da curva Ponto de quebra: Primeira Guerra do Golfo FIG. 1.1: Dispersão temporal de publicações na área de VANT. VANTs são utilizados tradicionalmente como recursos complementares de operações de inteligência, reconhecimento e aquisição de alvos, mas seu espectro de aplicações duais cresce a cada dia. A despeito das aplicações civis, VANTs atualmente em serviço exercem ainda funções de reconhecimento e de inteligência, como por exemplo em operações recentes de combate contra o regime Taliban e líderes da Al Qaeda no Afeganistão e no Yemen, bem como em lançamentos de mísseis Hellre e outros suportes a campanhas em terra, tanto na operação Iraqi Freedom em março 23 como na Operação Desert Storm, da Primeira Guerra do Golfo Pérsico, em que foram relatados episódios de soldados iraquianos se rendendo a veículos não-tripulados. A guerra ao terrorismo exerceu grande inuência sobre o que se considera a missão preliminar dos VANTs, ou seja, a coleta de informações de inteligência. Sua ecácia militar foi considerada satisfatória internacionalmente a partir dos conitos no Iraque (23), Afeganistão (21), e Kosovo (1999), o que abriu os olhos de muitos às vantagens fornecidas por aeronaves não-tripuladas. Recentemente, em dezembro de 22, DoD/EUA emitiu uma recomendação da Força-Tarefa para o Congresso Americano de que fossem autorizados os vôos de VANTs em todo o território dos EUA, não apenas no espaço aéreo restrito dos campos de provas mas também sobre rotas aéreas comerciais e linhas de defesa avançadas. Por outro lado, devido a fatores externos tais como a mudança, depois do episódio de 11 de setembro de 21, da conjuntura internacional no que diz respeito à utilização de tecnologias com ns terroristas, surgiram leis e tratados, a exemplo da Resolução

20 do Conselho de Segurança das Nações Unidas, de 28 de abril de 24, que restringem a pesquisa, utilização e exportação de bens e serviços que possam vir a ser utilizados com nalidade terrorista - entre as quais encontramos os veículos não-tripulados. Citando a Resolução: "Arming that proliferation of nuclear, chemical and biological weapons, as well as their means of delivery, constitutes a threat to international peace and security". O mesmo texto dene o termo "means of delivery" da seguinte forma: "Means of delivery: missiles, rockets and other unmanned systems capable of delivering nuclear, chemical, or biological weapons, that are specially designed for such use." Esta nova visão mundial situa os VANTs como alvos de críticas internacionais quanto ao seu desenvolvimento, aquisição e utilização, o que coloca o Brasil na seguinte situação: É necessário desenvolver a tecnologia, já que não se poderá mais adquiri-la. Mais ainda, é preciso fazê-lo de maneira que seja evidenciada a sua aplicação dual. Além de ter aplicações militares óbvias, é preciso voltar as atenções para as suas aplicações civis. 1.2 MOTIVAÇÃO Nesta seção é estabelecida a vinculação entre os procedimentos de ensaios em vôo e as técnicas de identicação no domínio da freqüência aplicadas aos sistemas de controle, objetos desta dissertação VANTS E SISTEMAS DE CONTROLE Testes de vôo bem sucedidos demonstram o desempenho dos novos sensores aviônicos e ilustram o grande potencial da utilização das aeronaves não-tripuladas como plataformas de testes para experiências de navegação e controle. Os VANTs não apenas representam plataformas de baixo custo, mas seu projeto e controle facilitam a exploração de muitas áreas da pesquisa em sistemas de controle, variando desde o controle de vôo de baixo nível até o projeto de algoritmos para missões múltiplas de coordenação e planejamento, tudo tendo em vista o vôo autônomo. Se o objetivo da pesquisa for, então, transformar uma aeronave qualquer em um VANT, será necessário substituir o piloto por alguma eletrônica embarcada capaz de realizar as tarefas de pilotagem e comando da carga útil na execução de tarefas. Um tipo básico de controlador de vôo é conhecido como SAS - Stability Augmentation System, ilustrado conceitualmente na gura 1.2. O SAS tem a função de deixar transparentes para o piloto da aeronave todas as operações de compensação de efeitos de acoplamentos 2

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