BRPI0904274A2 - gerador de manobra de evitação para uma aeronave - Google Patents
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Abstract
GERADOR DE MANOBRA DE EVITAçãO PARA UMA AERONAVE. A presente invenção refere-se a um método para determinar automaticamente uma manobra de evitação em um sistema de evitação de colisão automático de uma aeronave, o método que compreende as seguintes etapas: determinar um envelope de aceleração cinemática máxima ao determinar uma grande quantidade de pares de aceleração cinemática de ângulo de manobra de evitação ((<sym>, <sym>)-pares) em um plano de aceleração cinemática, e interpolar os vãos entre os pontos criando, deste modo, uma curva, esta curva é chamada de envelope de aceleração cinemática máxima, a curva também pode ser aproximada por uma expressão analítica; formar um envelope ajustado de aceleração cinemática no dito plano ao formar um novo envelope, o novo envelope em cada ponto se situa mais próximo ou na mesma distância da origem (0,0) que os pontos do envelope de aceleração cinemática máxima e de modo que exista apenas um valor da aceleração cinemática a para um dado ângulo de manobra de evitação <sym>; receber um ângulo de manobra de evitação <sym> em que um ângulo de inclinação adequado e uma carga normal adequada devem ser determinados; determinar a magnitude da aceleração cinemática a que corresponde ao envelope de aceleração cinemática ajustado para o ângulo de manobra de evitação, ao ler a curva de envelope, ou se a curva for uma expressão analítica, calcular a mesma ao usar a dita expressão analítica; determinar a carga normal n~z~, com base na aceleração cinemática <sym>, e o ângulo de manobra de evitação <sym>; determinar o ângulo de inclinação com base na aceleração cinemática a, e no ângulo de manobra de evitação <sym>.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "GERADORDE MANOBRA DE EVITAÇÃO PARA UMA AERONAVE".
Campo da Técnica
A presente invenção refere-se a sistemas de evitação de colisãopara controlar a manobra de uma aeronave a fim de evitar uma colisão comum objeto propenso a colidir com a aeronave se a mesma mantiver a rota,altitude e velocidade atuais. Em particular, a invenção se refere a sistemasde evitação de colisão para veículos aéreos que têm capacidade de mano-bra limitada. Ainda mais particularmente, a invenção se refere a tais siste-mas para Veículos Aéreos Não-tripulados (UAVs), e Veículos Aéreos Autô-nomos (AAVs) que podem tomar decisões por si mesmos sem consultar umpiloto na terra, sendo controlados por controle remoto limitado ou nenhumcontrole remoto.
Antecedentes da Invenção
A aeronave de baixa capacidade de manobra, como UAVs, podeser remotamente controlada ou voar de forma independente com base nosplanos de voo pré-programados ou ter sistemas de automação dinâmicamais complexos. Os UAVs atualmente são usados em inúmeros papéis mili-tares, incluindo reconhecimento e ataque. Eles também são usados em umnúmero pequeno, porém crescente de aplicações civis, tal como combate aincêndios, onde um observador humano pode estar em risco, observaçãopolicial de perturbações civis e cenas de crime, e suporte de reconhecimentoem desastres naturais. Os UAVs são freqüentemente preferidos para mis-sões que são muito "monótonas, sujas ou perigosas" para a aeronave tripulada.
Existe um desejo e requerimento geral de que os UAVs, em par-ticular, UAVs civis, operem de maneira segura e não colidam com outrosUAVs ou outra aeronave ou objetos. Portanto, um objetivo da presente in-venção é proporcionar um sistema para evitar que o UAV colida com outroobjeto.
Para um sistema de captação e evitação de ameaça de colisão(sistema de captação & evitação) para realizar realmente a porção de evita-ção, uma aeronave envolvida deve, em algum ponto, efetuar uma manobrade evitação, a fim de sair rapidamente da trajetória que tem um alto riscopercebido e/ou calculado de colisão.
Em um caso em que o sistema utiliza a última manobra instantâ-nea, isto é, uma manobra que não é realizada até o último momento paraevitar a colisão, tal manobra deve usar a máxima capacidade de manobrasegura disponível para a aeronave. Para aeronaves de alto desempenho,geralmente existe desempenho de manobra suficiente disponível para obtercurvatura de trajetória suficiente através de uma suposta manobra de rola-mento e tração, a fim de sair rapidamente da trajetória que tem um alto riscopercebido e/ou calculado de colisão.
Entretanto, para os UAVs contemporâneos, o desempenho demanobra geralmente é muito insatisfatório. Na verdade, as capacidades sãocomumente mais insatisfatórias do que seria aceitável em uma aeronavetripulada.
Também, para outras aeronaves de desempenho baixo ou mé-dio, tripuladas ou não, o desempenho de manobra é insatisfatório.
Uma das funções de um sistema de captação & evitação consis-te em selecionar uma manobra adequada a ser realizada em um caso decolisão potencial. Tal função pode ser realizada por um gerador de manobra.Em alguns tipos existentes de sistema a detecção de manobra é limitada,por exemplo, usando apenas ascensão ou descida pura, porém, tipicamenteum sistema de captação e evitação de alto desempenho deve ser capaz deselecionar uma grande quantidade de manobras.
Para uma aeronave de alta capacidade de manobra, um geradorde manobra pode selecionar a manobra de rolamento de tração, uma vezque esta manobra irá preencher adequadamente os requerimentos acima.Entretanto, para uma aeronave de baixa capacidade de manobra, o geradorde manobra deve operar de alguma outra maneira.
O documento US 2007/0210953 descreve um sistema e métodode captação e evitação de colisão de aeronave para UAVs. O sistema com-preende, entre outras coisas, um sensor de imagem conectado a uma uni-dade de detecção de alvo adicionalmente conectada a uma unidade de ava-liação de ameaça para avaliar a ameaça de um alvo detectado na imagemproporcionada pelo sensor através da unidade de detecção de alvo. Umaunidade de manobra de evitação conectada à unidade de avaliação de ame-aça proporciona controle e guia de voo com uma manobra para evitar qual-quer ameaça de colisão identificada.
O documento US 6.510.388 descreve um sistema e um métodopara evitação de colisão entre veículos, sendo que uma possível trajetória demanobra de evitação para o respectivo veículo é calculada e comparadacom as trajetórias de manobra de evitação calculadas para os outros veícu-los para controlar se a trajetória de manobra de evitação do veículo a cadamomento durante seu lapso calculado se situa em uma distância mínimaestipulada ou predeterminada a partir das trajetórias de manobra de evitaçãodos outros veículos. Ademais, descreve-se um método para obtenção dedireções de manobra de evitação adequadas para duas aeronaves, cadauma dotada com o sistema e um link de comunicações entre as mesmas.
Sumário da Invenção
De acordo com um primeiro aspecto, proporcionou-se um méto-do para determinar automaticamente uma manobra de evitação em um sis-tema de evitação de colisão automático de uma aeronave, o método que „.-.compreende as seguintes etapas de:
- determinar um envelope de aceleração cinemática máxima a-través de inúmeros ângulos de manobra de evitação que determinam umnúmero correspondente de acelerações cinemáticas correspondentes emum plano de aceleração cinemática, que define por meio disto inúmeros pon-tos, e que interpola os vãos entre os pontos criando, deste modo, o envelopede aceleração cinemática máxima;
- formar um envelope de aceleração cinemática ajustado no ditoplano formando-se um novo envelope, o novo envelope em cada ponto sesitua mais próximo ou na mesma distância da origem, como os pontos doenvelope de aceleração cinemática máxima e, de modo que, para um de-terminado ângulo de manobra de evitação, exista um valor da aceleraçãocinemática;
- receber um ângulo de manobra de evitação desejado;
- determinar a magnitude da aceleração cinemática que corres-ponde ao envelope de aceleração cinemática ajustado para o ângulo de ma-nobra de evitação, ao ler a curva de envelope ajustada;
- determinar a carga normal (n2), e o ângulo de inclinação (Φ)com base na aceleração cinemática (a), e o ângulo de manobra de evitação(ε);
O envelope de aceleração cinemática máxima pode ser aproxi-mado através de uma expressão analítica.
O envelope de aceleração cinemática ajustado pode ser aproxi-mado através de uma expressão analítica, e em que a aceleração cinemáti-ca (a) é calculada usando-se a dita expressão analítica.
A carga normal pode ser determinada como uma expressão deraiz quadrada.
O ângulo de inclinação pode ser determinado como a funçãoarco-seno de uma expressão. A carga normal (nz) pode ser determinadacomo
nz — -Ja^ + 2agcosecos0 + cos2 θ
O ângulo de inclinação pode ser determinado como
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De acordo com um segundo aspecto, proporcionou-se um méto-do capaz de realizar automaticamente uma manobra de evitação de colisãopara selecionar as duas cargas normais de parâmetros de manobra de evi-tação de colisão, e o ângulo de inclinação, o método que compreende asseguintes etapas de:
- receber um ângulo de manobra de evitação desejado ε comoum ângulo em um plano de aceleração cinemática
- calcular um primeiro ponto de transição como o ângulo de ma-nobra de evitação absoluto acima do qual pode ser mais eficiente para a ae-ronave efetuar uma manobra no ângulo de inclinação máximo e usar umacerta carga normal para atingir o ângulo de manobra de evitação desejado,para realizar uma manobra de evitação com tanta curvatura quanto possível,dadas as restrições da aeronave em questão, a fim de sair rapidamente deuma trajetória que tem grande risco de colisão.
calcular um segundo ponto de transição como o ângulo de ma-nobra de evitação absoluto acima do qual pode ser mais eficiente para a ae-ronave efetuar uma manobra na carga normal mínima e usar um certo ângu-lo de inclinação para atingir o ângulo de manobra de evitação desejado, pararealizar uma manobra de evitação com tanta curvatura quanto possível, da-das as restrições da aeronave em questão, a fim de sair rapidamente deuma trajetória que tem grande risco de colisão;
- comparar o valor absoluto do ângulo de manobra de evitaçãodesejado ε com os valores do primeiro ponto de transição sti e o segundoponto de transição
- atuar de acordo com um dos seguintes casos
Caso 1: Se o valor absoluto do ângulo de manobra de evitaçãodesejado for maior que zero, porém, menor que o valor do primeiro ponto detransição, então, os parâmetros sugeridos para uma manobra de evitaçãosão ajustados da seguinte maneira:
- a carga normal é ajustada na carga normal máxima,
- o ângulo de inclinação é ajustado em um valor que pode criar oângulo de manobra de evitação desejado quando executado junto com acarga normal sugerida
Caso 2: Se o valor absoluto do ângulo de manobra de evitaçãodesejado ε for maior que o valor do primeiro ponto de transição, porém, me-nor que o valor do segundo ponto de transição, então, os parâmetros sugeri-dos para a manobra de evitação são ajustados da seguinte maneira:
- a carga normal é ajustada em um valor, que pode criar o ângu-lo de manobra de evitação desejado quando executado junto com o ângulode inclinação sugerido;
- o ângulo de inclinação é ajustado no ângulo de inclinação má-ximo permitido;
Caso 3: Se o valor absoluto do ângulo de manobra de evitaçãodesejado for maior que o valor do segundo ponto de transição, então, os pa-râmetros sugeridos para a manobra de evitação de colisão são ajustados daseguinte maneira:
- a carga normal é ajustada na carga normal mínima
- o ângulo de inclinação é ajustado em um valor, que pode criaro ângulo de manobra de evitação desejado quando executado junto com acarga normal sugerida.
Ademais, proporcionou-se um sistema de captação e evitaçãopara um veículo aéreo não-tripulado que compreende um gerador de parâ-metro de manobra de evitação que realiza as etapas do primeiro aspectoacima.
Proporcionou-se adicionalmente um sistema de captação e evi-tação para um veículo aéreo tripulado que compreende um gerador de pa-râmetro de manobra de evitação que realiza as etapas do primeiro aspectoacima.
Finalmente, proporcionou-se um gerador de parâmetro de ma-nobra de evitação que realiza as etapas do primeiro aspecto acima.
De acordo com um aspecto final, proporcionou-se um sistema decaptação e evitação e um gerador de parâmetro de manobra de evitaçãoque realizam as etapas do segundo aspecto acima.Breve Descrição dos Desenhos
As modalidades preferidas da invenção são descritas abaixocom o auxílio dos desenhos em anexo, em que:
a Figura 1a é um diagrama que define um sistema coordenado eum plano de aceleração cinemática no qual um ângulo de manobra de evita-ção desejado é definido.
a Figura 1 b é uma representação gráfica de uma cascata de ân-gulos de manobra de evitação no plano de aceleração cinemática da Figura1a.
a Figura 2 é um diagrama em bloco de um sistema de evitaçãode colisão.
a Figura 3 é um fluxograma de um método útil para selecionaruma manobra de evitação.
a Figura 4 é um gerador de parâmetro de manobra com entradae saídas.
A Figura 5 mostra um envelope de vetor de aceleração cinemáti-ca máxima e ajustada.
As Figuras 6, 7 e 8 mostram três casos de um diagrama de ace-leração cinemática em que uma área é delimitada entre os dois envelopesde aceleração cinemática.
Descrição Detalhada
O propósito da invenção consiste em proporcionar um método eum sistema para selecionar uma manobra de evitação de colisão efetiva pa-ra uma aeronave, a dita aeronave pode ser um veículo com força propulsoralimitada e capacidade de manobra limitada (limitada, por exemplo, tal para amagnitude de ângulos de rolamento) que, por sua vez, tornam a seleção demanobra de evitação mais difícil. Deste modo, um propósito mais particularda presente invenção consiste em proporcionar um gerador de manobra deevitação de colisão efetivo para um UAV com força propulsora fortementelimitada e capacidade de manobra limitada.
Para maximizar o desempenho do sistema de captação & evita-ção, o inventor descobriu que as manobras selecionadas devem possuir asseguintes qualidades:
- usar as capacidades de manobras físicas seguras máximas oupróximas à máxima.
- cobrir a faixa total de possíveis direções de manobra, isto é,todas as direções de "rolamento".
- apresentar uma alteração gradual na eficácia entre as direçõesde manobra adjacentes para criar boas condições para uma rotina de otimi-zação de manobra que opera sem problemas.
Para o propósito do presente pedido uma "aeronave de baixacapacidade de manobra" significa uma aeronave que tem um ângulo de ro-lamento limitado, isto é, uma aeronave que não é capaz de girar 360 graus,porém, em vez disso, é capaz de girar menos que 180 graus para a direita emenos que 180 graus para a esquerda. Esta categoria de aeronave pertenceà maioria dos UAVs, mas, também, à maioria das aeronaves de passageiros.
Terminologia e Definições
A seguir, para os propósitos do presente pedido, as frases "ma-nobra de evitação de colisão", "manobra de evitação", "manobra evasiva" e"manobra de fuga" são usadas de forma sinônima. Então, são seus deriva-dos correspondentes. As frases "envelope de vetor de aceleração cinemáti-ca máxima", "envelope de aceleração cinemática máxima" e "envelope má-ximo" são usados de forma sinônima.
Os seguintes símbolos são usados para denotar certos parâme-tros.
Símbolo Parâmetro
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Nota-se que os termos de limitação (máximo, mínimo) se refe-rem à mesma aeronave particular em questão. A invenção irá funcionar emqualquer aeronave, desde que os parâmetros máximos e mínimos sejamusados nos cálculos.
Agora, com referência à Figura 1a, e com a finalidade de des-crever uma manobra de evitação desejada, um plano de aceleração cinemá-tica é definido, o termo mais curto "plano de aceleração" pode ser usado aseguir. O plano de aceleração permite representar graficamente a capacida-de de manobra da aeronave para o propósito de manobra de evitação. Nestarepresentação, também se ignora de maneira implícita a capacidade de ma-nobra ao reduzir ou aumentar a investida simplificando, deste modo, a tarefade criar algoritmos de manobra. O plano de aceleração é definido da seguin-te maneira, vide também Figura 1a:
O plano de aceleração normal (eixo Z) se encontra ao longo dovetor de velocidade atual da aeronave. (Ou seja, no papel da Figura 1a).
O eixo Y do plano de aceleração é paralelo ao plano terrestrelocal, e de modo que o plano de aceleração X-eixo se aponte longe da terraquando segue a regra da mão direita. Para uma aeronave em direção retaascendente ou descendente, o eixo Y é escolhido paralelo ao eixo Y do cor-po para evitar um estado indefinido.
Em um diagrama de plano de aceleração, o estado que continuaa trajetória atual é encontrado na origem do plano de aceleração. A arfagemda aeronave para cima é representada ao longo do eixo X, usando uma uni-dade de aceleração para a magnitude (por exemplo, m/s2 ou g:s). A produ-ção de um giro coordenado à direita é representada ao longo do eixo Y. Ascombinações de giro e arfagem/descida podem, então, ser representadas nográfico de plano de aceleração.
No plano de aceleração também se define um ângulo de mano-bra de evitação (AMA) denotado pela letra grega ε (épsilon) como o ânguloao redor do eixo Z, contado no sentido horário a partir do eixo X, em que seconsidera uma manobra de evitação. O Ângulo de manobra de evitação éproporcionado a partir de outra unidade do sistema de captação & evitaçãoaté o gerador de manobra. Tal unidade pode funcionar adequadamente con-forme descrito no documento US 6.510.388 com ou sem as seguintes modi-ficações:
no documento se descreve como obter direções de manobra deevitação adequadas para duas aeronaves, cada uma dotada do sistema, ecom um link de comunicações entre as mesmas. Isto pode ser feito ao mini-mizar a função
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Em que C é o ponto de conclusão (também, o ponto mais próxi-mo de abordagem) da trajetória de manobra de evitação Tri para o veículo "i"com relação à trajetória de manobra (evitação) Trj para o veículo j. A função fé, consequentemente, a soma da distância invertida entre os pontos de con-clusão Ci, Cj das trajetórias de manobra de evitação Tri, Trj de todos os veí-culos. No caso de uma operação não cooperativa, onde a seleção de mano-bra de outra aeronave não é conhecida, a Tr de outra aeronave é seleciona-da como uma linha reta no espaço ao longo do tempo. O veículo tambémpode ser um objeto fixo ou que se move lentamente, tal como um balão es-tacionário, parapente, balão móvel, para-quedas, helicóptero, ou similares.Para um objeto estacionário, Tr é um ponto no espaço ao longo do tempo.
Um conjunto que compreende as direções de manobra de evita-ção Di por aeronave participante, então, é calculado em que a função resul-tante f é mínima. Devido às restrições de cálculo, pode ser requerido e sufi-ciente adotar um número finito de variações de Di para cada aeronave e es-colher a respectiva DiIS para o qual f é minimizado. Para o caso não coope-rativo apenas a própria Di é calculada, uma vez que se presume que todosos outros objetos estejam em uma trajetória reta.
O sistema pode ser facilmente expandido para o caso não-cooperativo para usar trajetórias diferentes da reta, supondo que esta infor-mação possa ser obtida a partir de algum sensor ou outra fonte de informação.
Manobras Possíveis
Considerando uma aeronave que é limitada por um ângulo deinclinação máximo e uma carga normal máxima e uma mínima, existem trêsmanobras limite que podem ser realizadas. (Neste contexto uma manobralimite é uma manobra que leva a aeronave a um ou mais de seus limites)
• uma manobra em carga normal máxima, com um ângulo deinclinação variado.
• uma manobra em ângulo de inclinação máximo, com uma car-ga normal variada.
• uma manobra em carga normal mínima, com um ângulo deinclinação variado.
A combinação destas três manobras limite permite que uma re-volução completa de ângulos de manobra de evitação ε seja obtida atravésdo procedimento descrito abaixo.
Supõe-se que a carga normal mínima é maior que 0 e que o ân-gulo de inclinação máximo é menor que 90 graus.
A) Como determinar que tipo de manobra utilizar.
A Figura 1 b mostra uma representação gráfica de uma cascatade ângulos de manobra de evitação (AMAS) ε no plano de aceleração cine-mática e possível para uma manobra à direita, 0 <= ε < 180 graus. Uma Fi-gura correspondente pode ser desenhada para manobras à esquerda, 0 > ε> -180. Entretanto, para propósitos descritivos, apenas o caso à direita seráestudado. Supõe-se que um ângulo de manobra de evitação desejado ε jáfoi determinado, por exemplo, conforme descrito acima no documento US6.510.388. De acordo com a invenção, para um ângulo de manobra de evi-tação zero ε, uma manobra de carga normal máxima será selecionada com oângulo de inclinação zero. Para um ângulo de manobra de evitação baixo εmaior que zero, uma manobra de carga normal máxima será selecionada,com um ângulo de inclinação que fornece o AMA ε desejado. Para o AMASε, à medida que o ângulo aumenta, irá existir um primeiro ponto de transiçãosituado onde o ângulo de inclinação máximo é alcançado e a carga normalselecionada pelo sistema irá transitar a partir de máxima para não ser máxi-ma, porém, reduzido, mais para AMAS maiores. À medida que o AMA au-menta adicionalmente, outro ponto de transição é encontrado, em que noponto a carga normal ficará em seu mínimo, e o ângulo de inclinação sele-cionado será variado de volta a zero.Os pontos de transição são determinados por:
ε{ι = arctan2 Cnzimax sen φ,^χ, nz,Max cos<|)max - 9 cosG
st2 = arctan2 fnz imin sen φ mini nz,Min ΟΟεφ max " 9 CosG
Entende-se a partir da fórmula que um ponto de transição é ex-presso como um ângulo. O primeiro ponto de transição Et1 é o ponto (ângulo)que corresponde a um caso em que o ângulo de inclinação máximo e carganormal máxima sob o ângulo de passo atual (e velocidade) são adotados. Oângulo είι pode ser determinado como os dois arcos tangentes (atan2), emque os dois argumentos de entrada para a função atan2 são:
- argumento 1: um termo expresso como carga normal máximanz,max multiplicada pelo seno do ângulo de inclinação máximo Omax
-argumento 2: um termo expresso como a diferença entre a car-ga normal máxima aZimax multiplicada pelo cosseno do ângulo de inclinaçãomáximo Omax e o valor da gravidade da terra multiplicada pelo cosseno doângulo de passo atual Θ.
O segundo ponto de transição et2 é o ângulo que corresponde auma carga normal mínima e um ângulo de inclinação máximo. O ângulo et2pode ser determinado como os dois arcos tangentes (atan2), em que os doisargumentos de entrada para a função atan2 são:
- argumento 1: um termo expresso como a carga normal mínimanz,min multiplicada pelo seno do ângulo de inclinação máximo Omax
- argumento 2: um termo expresso como a diferença entre oproduto de carga normal mínima az,min multiplicada pelo cosseno do ângulode inclinação máximo <Dmax e o produto do valor da gravidade da terra multi-plicado pelo cosseno do ângulo de passo atual Θ.
|ε| < eu, manobra que usa a carga normal máxima, varia o ângu-lo de inclinação.
8ti < |ε| < St2l manobra que usa o ângulo de inclinação máximo,varia a carga normal
St2 < |ε|, manobra que usa a carga normal mínima, varia o ângulode inclinação.
B) Encontrar a magnitude do parâmetro para variaçãoPara cada ângulo de manobra de evitação ε existe uma acelera-ção cinemática máxima implícita a que pode ser obtida, dado o ângulo deinclinação máximo de limitação, carga normal mínima e carga normal máxi-ma. A aceleração cinemática a que corresponde a um ângulo de manobra deevitação particular ε pode ser determinada por cálculo, onde se leva em con-sideração as características do modelo de aeronave em questão, ou atravésda simulação adequada, ou uma combinação destas.
Quando a aceleração cinemática é determinada ou um númerorepresentativo de ângulos de manobra de evitação, um envelope de acelera-ção cinética máxima pode ser formulado no plano de aceleração cinemáticausando o ângulo de manobra de evitação e a aceleração cinemática, respec-tivamente, como coordenadas polares para os pontos no dito envelope. Ovão entre os pontos pode ser interpolado.
Quando manobra de acordo com a carga normal máxima, o mé-todo de ângulo de inclinação máximo ou carga normal mínima delineado a-cima, o ângulo de inclinação e a carga normal podem ser obtidos sob a for-ma fechada sem calcular explicitamente a aceleração cinemática resultante.
A seguir, como calcular estes parâmetros.
No caso de carga normal máxima:
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Neste caso, o ângulo de inclinação Φ é determinado como a di-ferença entre o ângulo de manobra de evitação ε e uma expressão que levaem consideração o efeito da força g. Em particular, o ângulo de inclinaçãopode ser determinado como a diferença entre o ângulo de manobra de evita-ção e um termo constituído a partir do arco-seno do produto formado multi-plicando-se g pelo cosseno do ângulo de passo atual adicionalmente multi-plicado pelo seno do ângulo de manobra de evitação ε, dividido pela carganormal.
A carga normal nz é determinada como a carga normal máximapara o modelo de aeronave em questão.Também pode ser vantajoso determinar os parâmetros, tais co-mo a carga normal máxima, o ângulo de inclinação máximo etc., levando emconsideração não apenas a situação para o modelo de aeronave em ques-tão, porém, a situação para a aeronave individual particular em questão edurante a situação da missão particular.
No caso de ângulo de inclinação máximo
8t1 < M ^ St2
φ = sgn(£)<tw
nz = g cos θ sen ε_= q cos9 sen ε (II)
sen ε cos φ- cos ε sen φ sen (ε - φ)
No caso de carga normal mínima
St2 < M
φ = ε - sgn (ε)π + arco-seno (g cos θ sen ε /nz)__
nz = nz,min. A definição das duas funções de argumento arctan2,também conhecidas como "atan2", é aquela convencional, bem conhecidana técnica, que pode ser encontrada em qualquer livro de ciência da compu-tação ou manual de programação abrangente. Outras funções mencionadastambém são convencionalmente definidas.
A Figura 2 mostra um diagrama em bloco de um sistema de cap-tação e evitação 200, de acordo com a invenção, tal sistema compreende asseguintes unidades:
- uma interface S&A 210 para fazer interface com os sensoresde captação e evitação, tais como, por exemplo, radar, câmera(s) de TV,câmera(s) de infravermelho, transponder(s) e para proporcionar dados decaptação e evitação para uma unidade de algoritmo de evitação de colisão220;
- uma unidade de algoritmo de evitação de colisão 220 para cal-cular, com base nos dados de captação e evitação, uma manobra sugerida,isto é, um ângulo de manobra de evitação ε;
- um gerador de parâmetro de manobra 230 para determinar osparâmetros de manobra, isto é, para determinar um ângulo de inclinação euma carga normal, com base no dito ângulo de manobra de evitação ε;- uma unidade de modelo de voo de aeronave 240 para determi-nar, com base nos parâmetros de manobra e nos dados de sensor de aero-nave a partir dos sensores de aeronave (velocidade, posição, etc.), uma tra-jetória prevista (cf "Tr" acima) da aeronave para a distribuição adicional naunidade de algoritmo de evitação de colisão 220;
- uma unidade de interface de sensores de aeronave 250 parafazer interface com os sensores de aeronave e proporcionar dados de sen-sor de aeronave para a unidade de modelo de voo de aeronave 240;
- uma unidade de interface de atuador de aeronave 260 parareceber os parâmetros de comando de manobra determinados pela unidadede algoritmo de evitação de colisão 220, com base nos dados de trajetóriaprevistos a partir da unidade de modelo de voo de aeronave 240 até a uni-dade de algoritmo de evitação de colisão 220, e para fazer interface com osatuadores de aeronave (UAV).
Gerador de parâmetro de manobra de evitação
Proporciona-se um gerador de parâmetro de manobra de evita-ção 230, 430. O gerador de parâmetro de manobra evitação realiza um mé-todo, de acordo com a invenção, para determinar os parâmetros de manobra(ângulo de inclinação, carga normal) com base em um ângulo de fuga dese-jado = ângulo de manobra de evitação desejado ε, conforme definido acima,no seguinte DAMA denotado. A entrada para o gerador de parâmetro demanobra de evitação 230, 430, deste modo, é um primeiro valor que repre-senta um ângulo de manobra de evitação ε. A saída do gerador de parâme-tro de manobra de evitação 230, 430, deste modo, é tanto um segundo valorque representa uma carga normal nz, como um terceiro valor que representaum ângulo de inclinação Φ, vide Figura 4. O método pode ser realizado u-sando software ou hardware de computador, conforme é conhecido na técnica.
Com referência à Figura 3, um método de acordo com a inven-ção pode compreender as seguintes etapas:
- Receber 310a o ângulo de manobra de evitação desejado εque representa um ângulo em um plano de aceleração, conforme definidoacima;
- Calcular 320 um primeiro ponto de transição sti como o ângulode manobra de evitação absoluto acima do qual pode ser mais eficiente paraa aeronave efetuar uma manobra no ângulo de inclinação máximo e usaruma certa carga normal para atingir o ângulo de manobra de evitação dese-jado ε, para realizar uma manobra de evitação com tanta curvatura quantopossível, dadas as restrições da aeronave em questão, a fim de sair rapida-mente de uma trajetória que tem grande risco de colisão.
- Calcular 330 um segundo ponto de transição como o ângulode manobra de evitação absoluto acima do qual é mais eficiente para a ae-ronave efetuar uma manobra na carga normal mínima e usar um certo ângu-lo de inclinação para atingir o ângulo de manobra de evitação ε; para realizaruma manobra de evitação com tanta curvatura quanto possível, dadas asrestrições da aeronave em questão, a fim de sair rapidamente de uma traje-tória que tem grande risco de colisão.
- Comparar 340 o valor absoluto do ângulo de manobra de evita-ção desejado ε com os valores do primeiro ponto de transição εn e o segun-do ponto de transição ε®
- Atuar de acordo com os seguintes casos
Caso 1: Se 350 o valor absoluto do ângulo de manobra de evita-ção desejado ε for maior que zero, porém, menor que o valor do ponto detransição ε, então, os parâmetros sugeridos para a manobra de evitaçãosão ajustados da seguinte maneira:
- a carga normal é ajustada na carga normal máxima nz, max
- o ângulo de inclinação Φ é ajustado em um valor de acordocom a expressão (1) acima, que pode criar o ângulo de manobra de evitaçãodesejado quando executado junto com a carga normal sugerida
Caso 2: Se 360 o valor absoluto do ângulo de manobra de evita-ção desejado ε for maior que o valor do primeiro ponto de transição ε», po-rém, menor que o valor do segundo ponto de transição ε^, então, os parâ-metros sugeridos para a manobra de evitação são ajustados da seguintemaneira:a carga normal é ajustada em um valor de acordo com a expres-são (II) acima, que pode criar o ângulo de manobra de evitação desejadoquando executado junto com o ângulo de inclinação sugerido Φ;
- o ângulo de inclinação Φ é ajustado no ângulo de inclinação5 máximo permitido;
Caso 3: Se 370 o valor absoluto do ângulo de manobra de evita-ção desejado ε for maior que o valor do segundo ponto de transição εν, en-tão os parâmetros sugeridos para a manobra de evitação são ajustados daseguinte maneira:
- a carga normal é ajustada na carga normal mínima nz,min;
- o ângulo de inclinação Φ é ajustado em um valor de acordocom a expressão (1) acima, que pode criar o ângulo de manobra de evitaçãodesejado ε quando executado junto com a carga normal sugerida.
Menos que manobra completa
Algumas vezes, pode ser vantajoso não usar as capacidades demanobra completa da aeronave em questão. Uma razão conhecida para istoconsiste no fato de que um otimizador ou função de otimização de um sele-tor de manobra de evitação de colisão pode precisar de uma função de tra-balho mais suave que aquela proporcionada pelo método mencionado aci-ma, de outro modo, um ângulo de manobra de evitação subótimo pode sereventualmente escolhido. Também pode existir uma necessidade de otimizaro envelope de manobra para proporcionar uma inclinação em direção a umtipo desejado de manobras de evitação.
Entretanto, uma vez que o método mencionado acima foi usadopara determinar um envelope de aceleração cinemática máxima no plano deaceleração cinemática, este envelope, então, pode ser ajustado em qualquerformato de envelope geral que cumpra os requerimentos; deve existir ape-nas uma magnitude da aceleração cinemática a para um dado ângulo demanobra de evitação ε e tal envelope ajustado descrito deve se situar dentrodo envelope máximo formado pelo método mencionado acima. Um envelopeajustado pode ser uma função analítica ou uma função tabulada. A seleçãodo envelope pode ser manual ou pode ser otimizada por meio automatizado,tal como, por exemplo, variação de parâmetro que usa um método de decli-ve máximo.
A Figura 5 mostra tal envelope ajustado 520 que é formado aodefiniruma elipse que se situa dentro do envelope máximo 510. Novamente,apenas o lado direito do plano de aceleração é ilustrado. Este envelope e-xemplificativo, deste modo, é descrito pela fórmula de elipse:
X = A cos ε + h
Y = B sen ε + k
Em que AeB são as magnitudes de metade do eixo geométricoe h e k são desvios da elipse de focos. Na Figura 5 os valores exemplificati-vos para ilustração são selecionados como:
A = 0,5 g
B = 1,1 g
h = -0,1 g
Zc= 0,0 g
Após tal envelope ter sido definido, os parâmetros de manobra,de acordo com o que foi dito acima, é selecionado ao determinar a magnitu-de da aceleração cinemática a no envelope definido para um dado ângulo demanobra de evitação ε
No caso exemplificativo do envelope de elipse a magnitude, en-tão, é descrita por:
a - ^(Acose + hf + (Bsen ε 4 kf
Após a magnitude da aceleração cinemática a ter sido determi-nada, os parâmetros de manobra podem ser determinados independente doformato do envelope através das etapas:
<formula>formula see original document page 19</formula>
Outros casos de manobra (limite) menos que completa
Um envelope ajustado de aceleração cinemática pode ser criadono plano de aceleração cinemática ao formar um novo envelope, o novo en-velope em cada ponto se situa mais próximo ou na mesma distância da ori-gem (0,0) que os pontos do envelope de aceleração cinemática máxima e,de modo que exista apenas um valor da aceleração cinemática a para umdado ângulo de manobra de evitação ε. Nas Figuras 6, 7 e 8 são mostradosexemplos de áreas dentro do plano de aceleração cinemática, em que é a-dequado, de acordo com a invenção, situar tal envelope ajustado de acele-ração cinemática.
A Figura 6 mostra um diagrama de aceleração cinemática, emque uma área 630 entre o envelope de aceleração cinemática máxima 610 eum envelope de aceleração cinemática ajustado circular 620 é delimitada.Os métodos de determinação de boa manobra de evitação, de acordo com apresente invenção, são obtidos ao localizar o envelope de aceleração cine-mática para selecionar a aceleração cinemática, e a carga normal associadaa isto e o ângulo de inclinação na área limitada por duas curvas de limite.
A Figura 7 mostra um diagrama de aceleração cinemática, emque uma área 730 entre o envelope de aceleração cinemática máxima 710 eum envelope de aceleração cinemática ajustado elíptico 720 é delimitada.Os métodos de determinação de manobra de evitação de alto desempenho,de acordo com a presente invenção, são obtidos ao localizar o envelope deaceleração cinemática para selecionar a aceleração cinemática, e a carganormal associada a isto e o ângulo de inclinação na área limitada por duascurvas de limite.
A Figura 8 mostra um diagrama de aceleração cinemática, emque uma área 830 é delimitada entre o envelope de aceleração cinemáticamáxima 810 e um envelope ajustado de aceleração cinemática em formatosimilar 820 constituído por 5 a 10 por cento da versão reduzida do envelopede aceleração cinemática máxima 810. Os métodos de determinação demanobra de evitação de alto desempenho, de acordo com a presente inven-ção, também podem ser obtidos ao localizar o envelope de aceleração ci-nemática para selecionar a aceleração cinemática, e a carga normal associ-ada a isto e o ângulo de inclinação na área limitada por duas curvas de limite.
Claims (11)
1. Método para determinar automaticamente uma manobra deevitação em um sistema de evitação de colisão automático de uma aerona-ve, o método que compreende as seguintes etapas:determinar um envelope de aceleração cinemática máxima parainúmeros ângulos de manobra de evitação que determinam um número cor-respondente de acelerações cinemáticas correspondentes em um plano deaceleração cinemática, que define por meio disto inúmeros pontos, e queinterpola os vãos entre os pontos criando, deste modo, o envelope de acele-ração cinemática máxima (510, 610, 810);formar um envelope ajustado de aceleração cinemática (520,620, 820) no dito plano ao formar um novo envelope, o novo envelope emcada ponto se situa mais próximo ou na mesma distância da origem (0,0)que os pontos do envelope de aceleração cinemática máxima e de modoque para um dado ângulo de manobra de evitação (ε) exista um valor da a-celeração cinemática (a);receber um ângulo de manobra de evitação desejado (ε);determinar a magnitude da aceleração cinemática (a) que cor-responde ao envelope de aceleração cinemática ajustado (520, 620, 820)para o ângulo de manobra de evitação (ε), ao ler a curva de envelope ajus-tada;determinar a carga normal (nz), e o ângulo de inclinação (Φ) combase na aceleração cinemática (a), e no ângulo de manobra de evitação (ε);
2. Método de acordo com a reivindicação 1, em que o envelopede aceleração cinemática máxima é aproximado por uma expressão analítica.
3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que o enve-lope de aceleração cinemática ajustado é aproximado por uma expressãoanalítica e sendo que a aceleração cinemática (a) é calculada ao usar a ditaexpressão analítica.
4. Método de acordo com a reivindicação 1, 2 ou 3, em que acarga normal (nz) é determinada como uma expressão de raiz quadrada.
5. Método de acordo com a reivindicação 1, 2 ou 3, em que oângulo de inclinação é determinado como a função arco-seno de uma ex-pressão.
6. Método de acordo com a reivindicação 4, em que a carganormal (nz) é determinada como <formula>formula see original document page 22</formula>
7. Método de acordo com a reivindicação 5, em que o ângulo deinclinação (Φ) é determinado como<formula>formula see original document page 22</formula>
8. Método de acordo com a reivindicação 1, para uma aeronavecapaz de realizar automaticamente uma manobra de evitação de colisão pa-ra selecionar as duas cargas normais de parâmetros de manobra de evita-ção de colisão, e o ângulo de inclinação, o método que compreende as se-guintes etapas:receber (310) um ângulo de manobra de evitação desejado εcomo um ângulo em um plano de aceleração cinemáticacalcular (320) um primeiro ponto de transição (eu) como o ângulode manobra de evitação absoluto que pode ser mais eficiente para a aero-nave efetuar uma manobra no ângulo de inclinação máximo e usar uma cer-ta carga normal para atingir o ângulo de manobra de evitação desejado (ε),para realizar uma manobra de evitação com tanta curvatura quanto possível,dadas as restrições da aeronave em questão, a fim de sair rapidamente deuma trajetória que tem grande risco de colisão.calcular (330) um segundo ponto de transição (Et2) como o ângu-lo de manobra de evitação absoluto acima do qual pode ser mais eficientepara a aeronave efetuar uma manobra em carga normal mínima e usar umcerto ângulo de inclinação para atingir o ângulo de manobra de evitação de-sejado (ε), para realizar uma manobra de evitação com tanta curvatura quan-to possível, dadas as restrições da aeronave em questão, a fim de sair rapi-damente de uma trajetória que tem grande risco de colisão;comparar (340) o valor absoluto do ângulo de manobra de evita-ção desejado ε com os valores do primeiro ponto de transição et1 e o segun-do ponto de transição (ε^)Atuar de acordo com um dos seguintes casosCaso 1: Se (350) o valor absoluto do ângulo de manobra de evi-tação desejado ε for maior que zero, porém, menor que o valor do primeiroponto de transição (eti), então, os parâmetros sugeridos para uma manobrade evitação são ajustados da seguinte maneira:a carga normal é ajustada na carga normal máxima (nz, max)o ângulo de inclinação (Φ) é ajustado em um valor que pode cri-ar o ângulo de manobra de evitação desejado quando executado junto coma carga normal sugeridaCaso 2: Se (360) o valor absoluto do ângulo de manobra de evi-tação desejado ε for maior que o valor do primeiro ponto de transição eti,porém, menor que o valor do segundo ponto de transição εΐ2, então, os pa-râmetros sugeridos para a manobra de evitação são ajustados da seguintemaneira:a carga normal é ajustada em um valor, que pode criar o ângulode manobra de evitação desejado quando executado junto com o ângulo deinclinação sugerido (Φ);o ângulo de inclinação (<D)é ajustado no ângulo de inclinaçãomáximo permitido («Iw);Caso 3: Se (370) o valor absoluto do ângulo de manobra de evi-tação desejado (ε) for maior que o valor do segundo ponto de transiçãoentão, os parâmetros sugeridos para a manobra de evitação de colisão sãoajustados da seguinte maneiraa carga normal é ajustada na carga normal mínima (nz,min)o ângulo de inclinação (Φ) é ajustado em um valor, que podecriar o ângulo de manobra de evitação desejado quando executado juntocom a carga normal sugerida.
9. Sistema de captação e evitação para um veículo aéreo não-tripulado que compreende um gerador de parâmetro de manobra de evitaçãoque realiza as etapas como definidas na reivindicação 1.
10. Sistema de captação e evitação para um veículo aéreo tripu-lado que compreende um gerador de parâmetro de manobra de evitação querealiza as etapas como definidas na reivindicação 1.
11. Gerador de parâmetro de manobra de evitação que realizaas etapas como definidas na reivindicação 1.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| B03A | Publication of a patent application or of a certificate of addition of invention [chapter 3.1 patent gazette] | ||
| B06F | Objections, documents and/or translations needed after an examination request according [chapter 6.6 patent gazette] | ||
| B06T | Formal requirements before examination [chapter 6.20 patent gazette] | ||
| B09A | Decision: intention to grant [chapter 9.1 patent gazette] | ||
| B16A | Patent or certificate of addition of invention granted [chapter 16.1 patent gazette] |
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