O Modelo Estrutural

No naldosanos70,foiintroduzidoo primeiromodelo (HESS,1978)deumasérie

que ulminou omomodeloestruturaldeHess (HESS,1980). Maistarde,esse modelo

foi revisto e ampliado (HESS, 1989, 1997), porém sem alteração de on eitos. Apesar

darevisãode1997

∗

,seráanalisadoeutilizadoomodelomaissimplespropostoem1980.

Esse modelo nas eu da observação de que os modelos de piloto postulados até então

estavam balizados ou pela teoria lássi a de ontrole, resultando em servomodelos ou

pelateoriade ontrolemoderno, resultandoemmodelos de ontrole ótimo. Hess arma

que:

apesar de ambas abordagens terem bastante su esso, nenhuma onseguia

des rever a estrutura interna, que ontribui sobremaneira para as ara te-

rísti as dinâmi asdopilotohumano.

A partirde então,foipostuladooModelo Estrutural,que:

provê uma representação mais realista da estrutura de pro essamento de

sinais internado pilotohumano.

Maisimportanteainda,eobjetoprin ipaldestatese,éahabilidadedomodeloproposto

em apturarasadaptaçõesfeitaspelopilotohumanoàsdiferentesdinâmi asdosveí ulos

e,assim,identi armodusoperandidiferentesparaasdiversassituaçõesaqueo onjunto

piloto+planta (oupiloto+veí ulo) estarãoexpostos.

Foramrealizadosváriosestudosdeapli açãodestemodeloparamodelagemdePIO

(HESS;SUNYOTO,1985; HESS;STOUT,1997;VANDERVORST,2001). Emgeral,

osresultadosobtidosforam razoáveis,sendoqueosmodelosforam apazes de apturar

a dinâmi a do piloto. Como ara terísti a prin ipal, o modelo possui duas malhas de

ontrole internas: uma relativa ao sistema nervoso entral e outra relativa ao sistema

neuromus ular. Essas duasmalhasde ontroleexpli itametentammodelaranatureza

adaptativa dos pilotos humanos de maneira sistemáti a. Assim, a adaptação à planta

∗

Nãohámudançafundamentalnarevisãode1997,tratando-seapenasdeumaevoluçãoparatratar

dosensoprimárioparamudançadeestratégiade ontrole. Omodelode1980propõequeainformação

visualéque omandadaaalteraçãodaestratégiade ontroledamalhadeerroparaamalhadederivada

explí itaepoderiaserestudada. Aparametrizaçãoestaria ompletaeasmalhasinternas

de realimentação sofreriamapenas pequenos ajustes dependendo de ada ondição de

apli açãodomodelo. Noentanto,essen ialmente,opoderadaptativodopilotohumano

estaria apturado na diagramaçãodomodelo matemáti o.

O diagrama de blo os pode ser visto na gura 4.3, já om os grandes nú leos

delimitados por ores. Asmalhasapresentam asseguintesfunções:

◦

modelar a realimentação de força utilizada pelo sistema neuromus ular, prove-

niente dos sistemas mus ulares do braço e antebraço - sentidos proprio eptivos

(

Y

f

);

◦

montarumarepresentaçãointerna dosistemade ontrolemanualqueé utilizado pelopiloto (

Y

m

).

O modelo foi idealizado para sistemas Single Input, Single Output (ou SISO), e as

análises onsiderarão o anal de rolamento de uma aeronave. O piloto é onsiderado

em uma tarefa em que tenta ontrolar ativamente o anal de rolamento por meio de

C a p í t u l o 4

Figura4.3: Desmembramento doModelo Estrutural

Parafa ilitara ompreensão,omodelopodeserdesmembrado onformeilustrado. A

dinâmi adaplantaémodeladanoúltimoblo oàdireita(emazul);Osistemaneuro-

mus ularvemaolado, ontendoaparteproprio eptiva(emverde);Osistemavisual

é modelado omo um atraso (em roxo) e para manter oerên ia oma publi ação

originaldeHess,permane euapósa haveS1enãologonaentrada. Essaalteração

nãoinuen iaoresultado;Aestratégiasele ionadapelo érebro(in ons ientemente)

pelo sistemade visão humana por meio de uma tela (display) omdinâmi a

Y

de

. Essa dinâmi ajá ontémtodososatrasosdepro essamentododisplay,masnãoin luioatraso

entre a informação ser apresentada na tela e o érebro humano ompreendê-la. Já no

sistemanervoso entral,osinalseguedois aminhos: noprimeiroémultipli adoporum

ganhosimples(

K

e

)eformaamalha de ontroledeerro;no segundo,osistemanervoso entral apli a uma operação de derivação om atraso

τ

1

e, em seguida, é multipli ado por umganho

K

˙e

simplesparaformar amalha de ontrolepor derivada doerro (error rate).

Além dessas duas malhas de ontrole, há uma have S1 olo ada na entrada da

malhadosistemanervoso entral,queéresponsávelporalteraraestratégiade ontrole

adotadapelopiloto. Esta ara terísti aé umdospilares entrais destatese: omodelo

postulaqueopilotohumano,naessên ia,fe haamalhaemerroenaderivadadoerroda

grandezaqueé ontrolada. Porém,nãosimultaneamente. A estratégiade ontroleé

alteradaduranteaexe uçãodeumamanobra,de maneiraqueopilotomudao ontrole

paraadaptar-se àtarefa. Assim,a haveS1 no diagrama,alternaentreasmalhas om

uma probabilidade de estar em uma ou outra posição. O modelo ainda postula que

quanto maioraprobabilidadeda have S1estar fe handoa malha naderivadado erro,

maior será o ganho empregado pelo piloto e portanto mais próximo de um PIO. É

importante notar que o valor não é absoluto: a situação de PIO não o orre somente

omessaprioridadeiguala1. Ovalorvaria omadinâmi adaplanta eparadinâmi as

dotipo

K

s

,rolamentoem aeronavesde transporte,essaprobabilidadegira emtornode

5%.

Emseguida, háumatraso(

τ

0

)paramodelar alatên ianopro essamento desinais pelo sistemanervoso entral (visual,tá til e auditivo). Este atraso éapli ado aambas

malhas. Osinalresultanteentra,então,nasmalhasde ontroleposterioresque onsiste

em4 elementos:

◦

Y

_pl

= 1.0

 Lógi a pulsativa do sistema nervoso entral, teorizada de maneira

análoga aos ontroladoresbangbang (HESS, 1979). A implementação nesta tese

está onformedes rito emHess,(1980);

◦

Y

_m

=

k2

(s+1

T2

)k−1

(manipulator);

◦

Y

_pn

=

ω

2

n

s2_+2ζ

nωns+ω2n

Formaemmalha abertada dinâmi a neuromus ular;

◦

Y

_f

=

k_s+11s

T1

 washout do sistema neuromus ular, devido à ligação alfa-gama dos

mús ulos etendões damão.

Osvaloresnuméri osparaessesparâmetrosutilizadosnaimplementaçãodomodelosão

os mesmos publi ados em suaforma original (HESS, 1980) e estão na tabela 4.2. Os

úni os valoresa seremajustados dea ordo oma estabilidadeda malha sãoosganhos

K

e

e

K

e

_

dot

.

Tabela4.2: ModeloEstruturalde Hess Prin ipais Parâmetros.

Dinâmi adaPlanta (

Yc

) k

Ke

K˙e

K2

T1

K1

τ0

τ1

ζn

ωn

rolamento:

K

s

3 2 2 1 0.85 1 0.14 0.2 0.707 10

Fonte: (HESS,1980)

Omodelo aindaprevêa inserçãode umsinal om ara terísti asderuído olorido

para ontabilizar osefeitosnão-lineares observadosemexperimentos. Esse sinalé ha-

mado de remnant. Para osdados desta tese,o ruído foi naturalmenteintroduzido nos

dados obtidos em vos (apresentados no apítulo 7). As simulações matemáti as não

ontemplam a injeção de ruído em suas orridas, por isso, a entrada do ruído não é

apresentadana gura4.3.

4.1.3 Análise e Es olha do Modelo

A bus a por modelos que pudessem apresentar ondições de expli itar o modo de

ontrole empregado pelo piloto in luiu alguns outros modelos, porém nenhum deles

tinha a apa idade de prever mudanças de estratégia empregada pelo piloto omo o

modeloestrutural. Épossívelqueummodeloquenãoprevêessamudançadeestratégia

(por exemplo, rossover em erta frequên ia)seja apazde determinar umapilotagem

omaltoganho,porémométodomaisevidenteéatravésdeummodeloqueaponteessa

ara terísti aexpli itamente,daíaes olhadomodeloestrutural. Aavaliaçãodeoutros

modelos a omosugestãode ontinuidadedotrabalho. Omodeloes olhidoparaomé-

A idéia geral por trásdo método proposto é: se for possível des obrir em qual modo o

piloto está operando, então talvez seja possível validar a utilização de ganho adequado

na exe ução do ensaio. Uma estratégiasimilar está sendo estudada pelaUniversidade

deNova Iorque(ZAYCHIK; CARDULLO, 2007;ZAYCHIK;CARDULLO; GEORGE,

2006).

No documento Método para a avaliação do ganho empregado pelo piloto em ensaios de PIO (páginas 68-73)