Normalmente s˜ao necess´arios quatro etapas em software, que s˜ao vendidas e for- necidas como itens independentes. S˜ao estes o software para o desenvolvimento do modelo matem´atico, para execuc¸˜ao do modelo matem´atico, para o monitora- mento e iterac¸˜ao com o modelo durante a execuc¸˜ao no simulador e ainda podem haver softwares para an´alise p´os-simulac¸˜ao. Um conjunto de hardware e soft- warecomerciais podem chegar a custos consideravelmente elevados.
Tempo de desenvolvimento: Elaborar e configurar todas as etapas de uma simulac¸˜ao HiL n˜ao ´e uma tarefa realizada em curto prazo. Desta forma, ´e desej´avel que a soluc¸˜ao implementada para o desenvolvimento do modelo matem´atico, sua execuc¸˜ao e a an´alise p´os-simulac¸˜ao possam ser feitas com elementos de softwa- resexistentes e n˜ao somente espec´ıficos para a simulac¸˜ao HiL. Ademais, peque- nas mudanc¸as no SUT devem ser facilmente adaptadas pelo simulador HiL de forma praticamente instantˆanea. Estas caracter´ısticas s˜ao essenciais para que o sistema seja flex´ıvel e possua escalabilidade (scalability).
2.5
Simulac¸˜ao HiL em Sistemas Aeroespaciais
Conforme descrito na sec¸˜ao 2.1, a ind´ustria espacial faz uso da simulac¸˜ao HiL desde o surgimento do conceito HiL para a simulac¸˜ao de voo e treinamento de pilotos de aeronaves (ECCLES, 2000).
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A parte destas, a simulac¸˜ao HiL ´e utilizada em praticamente todas as etapas ima- gin´aveis de sistemas espaciais, seja para o desenvolvimento e teste de aeronaves co- merciais, de ve´ıculos a´ereos n˜ao tripulados (VANTs), de sat´elites, e componentes es- pec´ıficos para miss˜oes espaciais.
As aplicac¸˜oes mais habituais em sistemas espaciais s˜ao na simulac¸˜ao dos aspec- tos dinˆamicos de um corpo (BACIC; MACDIARMID, 2007) e testes de sistema de determinac¸˜ao e controle de atitude (ADCS) (SOH; HAMZAH; STEYN, 2006). A se- guir uma breve revis˜ao de trabalhos relacionados, separados em sistemas de aeronaves comerciais, ve´ıculos n˜ao tripulados e sistemas para miss˜oes espaciais.
2.5.1
Simulac¸˜ao HiL em Aeronaves
Aeronaves comerciais s˜ao constitu´ıdas de diversos sistemas embarcados distribu´ıdos, complexos tanto em hardware quanto em software. Estes sistemas s˜ao cr´ıticos e even- tuais falhas nos sistemas devem ser tratadas de forma a evitar trag´edias, portanto, al´em de sistemas distribu´ıdos complexos uma aeronave deve possuir um sistema de
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redundˆancia com alto grau de confiabilidade. Neste cen´ario, ´e evidente que o uso da simulac¸˜ao HiL pode ser aplicada em quase todas as etapas construtivas, de integrac¸˜ao, testes, validac¸˜ao e simulac¸˜ao de ambientes, falhas e erros antes dos testes finais de uma aeronave. Outro ponto ´e que projetos deste porte possuem rigorosas normas de certificac¸˜ao, sendo assim os desenvolvedores de sistemas para aeronaves devem sub- meter seus equipamentos a diversos testes antes do uso comercial ser autorizado.
O estudo do sistema do sistema de controle de uma aeronave e o seu piloto au- tom´atico s˜ao foco de diversos estudos com HiL. Waszniowski, Hanz´alek e Doubrava (2011), Kaden, Boche e Luckner (2013), Chudy et al. (2013) e Karpenko e Sepehri (2006) s˜ao exemplos atuais para esta aplicac¸˜ao. O primeiro apresenta um sistema de validac¸˜ao para o sistema de controle eletro-hidr´aulico de uma aeronave a partir do uso da simulac¸˜ao HiL, o segundo e o terceiro mostram sistemas similares para validac¸˜ao e testes do sistema de atitude e de piloto autom´atico. O ´ultimo autor ainda faz uma an´alise mais aprofundada da tolerˆancia a falha atrav´es da simulac¸˜ao HiL neste tipo de sistema.
Outros subsistemas, como sistema de potˆencia de aeronaves (PIMENTEL; TIRAT- GEFEN, 2007), sistema de frenagem (LI; LI; JIAO, 2013), sistemas de propulsores reversos (ZHAO et al., 2009) e o sistema de planejamento de voos voltado ao custo benef´ıcio (ATESOGLU; SEMERCI; G ¨UNER, 2008) s˜ao exemplos onde a simulac¸˜ao HiL pode ser utilizada.
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E v´alido ressaltar que o desenvolvimento de aeronaves comerciais est´a ligado a empresas e corporac¸˜oes onde a pesquisa n˜ao ´e o foco prim´ario, portanto, os resultados obtidos n˜ao s˜ao sempre retratados na literatura. Esta fato por sua vez n˜ao ocorre em mesma proporc¸˜ao em aeronaves n˜ao tripuladas e em miss˜oes espaciais, ambos aborda- dos na sequˆencia.
2.5.2
Simulac¸˜ao HiL em VANTs
Ve´ıculos a´ereos n˜ao tripulados assumiram um papel fundamental em sistemas espa- ciais na ´ultima d´ecada, sendo utilizados em aplicac¸˜oes militares, de monitoramento, comerciais dentre outras. Cai, Dias e Seneviratne (2014) resumem os recentes avanc¸os e apresentam as tendˆencias futuras de VANTs, al´em de conceitos e elementos destes.
VANTs podem aparecer em diversos formatos, desde avi˜oes miniaturizados, at´e quadric´opteros. Normalmente estes s˜ao compostos pelos seguintes sistemas:
Bateria ou c´elula de combust´ıvel: sistema de alimentac¸˜ao do VANT, deve possuir um sistema eletrˆonico de controle para administrac¸˜ao da carga.
2.5 Simulac¸˜ao HiL em Sistemas Aeroespaciais 27
Sistema de processamento central: normalmente um microcontrolador ou DSP res- pons´avel por todo o processamento, respons´avel pela aquisic¸˜ao dos sensores, determinac¸˜ao e controle da atitude. Tamb´em deve gerir a func¸˜ao da carga ´util do VANT.
M´odulo de sensores: dispositivos eletrˆonicos para aquisic¸˜ao dos dados do ambiente que s˜ao utilizados na determinac¸˜ao de atitude e an´alise do comportamento do VANT.
Atuadores e motores: sistemas respons´aveis pelo voo, gerenciados pelo sistema de processamento.
Elementos estruturais: partes mecˆanicas respons´aveis por acomodarem os diversos subsistemas.
Carga ´Util: conjunto de equipamentos e dispositivos que devem realizar a func¸˜ao de- terminada para o VANT, por exemplo, uma cˆamera em um VANT de vigilˆancia.
Todos os elementos de um VANT s˜ao dependentes de sistemas embarcados que de- vem ser control´aveis e observ´aveis. Assim, a simulac¸˜ao HiL pode auxiliar diretamente no desenvolvimento dos ve´ıculos, havendo grande interesse no estudo de plataformas para aux´ılio do desenvolvimento e testes dos sistemas de um VANT.
Os trabalhos de Mana¨ı, Desbiens e Gagnon (2005), Jung e Tsiotras (2007), Mu- eller (2007), Lizarraga et al. (2009), Bauer et al. (2011) e Bittar e Oliveira (2013) s˜ao exemplos de trabalhos na literatura voltados ao desenvolvimento de plataformas para auxiliar no desenvolvimento de VANTs.
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E v´alido citar que os seis trabalhos anteriores utilizam Matlab/Simulink como fer- ramenta para o desenvolvimento dos modelos matem´aticos. Entretanto, cada um dos trabalhos utiliza-se de um hardware diferente para a implementac¸˜ao do simulador HiL e a interface com o SUT, neste caso o VANT.
2.5.3
Simulac¸˜ao HiL em Miss˜oes Espaciais
Miss˜oes espaciais envolvem sistemas de engenharia complexos, possuindo um longo tempo de desenvolvimento e tamb´em altos custos. Sendo assim, desde a d´ecada de 90 a simulac¸˜ao HiL ´e considerada como imprescind´ıvel no planejamento de miss˜oes (SLAFER, 1993).
Slafer (1993) mostra como um simulador HiL pode ser utilizado para desenvol- vimento, qualificac¸˜ao e testes de aceitac¸˜ao do subsistema de ADCS, e outros subsis-
28 2 Simulac¸˜ao HiL
temas, como o t´ermico, de potˆencia, de propuls˜ao, de telemetria e telecomandos e de carga ´util de um ve´ıculo espacial. A simulac¸˜ao HiL tamb´em possui aplicabilidade para validac¸˜ao de manobras de orientac¸˜ao e navegac¸˜ao, como acoplamento e rendezvous (BENNINGHOFF; REMS; BOGE, 2014).
Conforme a evoluc¸˜ao de sistemas eletrˆonicos e microprocessados, a tendˆencia ´e que miss˜oes espaciais e o desenvolvimento de sat´elites sejam tamb´em modulariza- dos. Esta tendˆencia levou a popularizac¸˜ao do desenvolvimento de pequenos sat´elites (M ¨UNCHEBERG; KRISCHKE; LEMKE, 1996; BOUWMEESTER; GUO, 2010). Miss˜oes como estas s˜ao acess´ıveis e podem ser desenvolvidas por grupos menores de pesquisadores e em centro universit´arios.
Neste cen´ario a simulac¸˜ao HiL ganha ainda mais importˆancia devido a reduc¸˜ao do ciclo e tempo ´util no desenvolvimento destas miss˜oes, bem como a necessidade de integrac¸˜ao dos diversos elementos. Fronterhouse, Lyke e Achramowicz (2007) mos- tra um projeto de um sat´elite modularizado caracterizado como plug and play. Mais recentemente, Stryker e Jacques (2012) apresentam em seu trabalho os elementos ne- cess´arios e as vantagens deste sistema.
Desta forma, a simulac¸˜ao HiL vem sendo extensivamente utilizada em projetos de micros e nanossat´elites. Corpino e Stesina (2014) utiliza um simulador para validar os algoritmos e softwares bem como parte dos hardwares de um cubesat, j´a Fritz et al. (2015) demonstra como a simulac¸˜ao HiL pode ser implementada para a verificac¸˜ao do software de voo (embarcado), enquanto Steffes et al. (2011) prop˜oem um simulador HiL reconfigur´avel para testes de sistemas de navegac¸˜oes h´ıbridos.
Em sistemas de ADCS, m´ultiplos simuladores HiL foram desenvolvidos como forma de validac¸˜ao e testes para pequenos sat´elites, trabalhos como Vilathgaynuwa e Tseng (2004), Finnset, K. Rao e Antonsen (2006), Tortora et al. (2006), Graven et al. (2009), Ure, Kaya e Inalhan (2011) e Haddox (2014) s˜ao exemplos de sistemas distintos focados no mesmo ponto. A plataforma pode variar de acordo com a func¸˜ao e objetivo do sat´elite.
Um aspecto importante assim como observados para sistemas de VANTs ´e que a ferramenta Matlab/Simulink ´e a soluc¸˜ao adotada para o modelo matem´atico, enquanto que o hardware do simulador HiL possui variac¸˜oes entre trabalhos.