Apoio ao desenvolvimento de veículos autônomos de mobilidade aérea urbana
- Alvaro Filho
- há 14 minutos
- 4 min de leitura
Veículos autônomos de mobilidade aérea urbana revolucionarão o mercado de mobilidade urbana. Um gêmeo digital é essencial como parte de um processo de desenvolvimento eficiente que garante um produto seguro.
A segurança operacional é fundamental para o voo de veículos autônomos de mobilidade aérea urbana. Validar o sistema de gerenciamento de voo para o maior número possível de cenários e condições operacionais é crucial. Por isso, o gêmeo digital do sistema de gerenciamento de voo deve incluir modelos de simulação tanto da aeronave quanto do ambiente.
Uma estrutura de simulação para veículos autônomos de mobilidade aérea urbana
Este estudo avaliou se uma estrutura de simulação com êxito comprovado no desenvolvimento de Sistemas de Condução Automatizada para veículos terrestres é capaz de suportar o desenvolvimento de sistemas automatizados de gerenciamento de voo de forma integrada. A estrutura inclui 3 pacotes de software acoplados que realizam simulações no domínio do tempo.
O Simcenter Amesim simula a dinâmica de voo, os sistemas de propulsão e os circuitos de controle de navegação.
O Simcenter Prescan modela um ambiente urbano e sensores exteroceptivos que detectam características no ambiente (por exemplo, câmera, lidar).
O Simulink conecta o Simcenter Amesim e o Simcenter Prescan.
A figura abaixo exibe a estrutura da simulação. Os estados do drone são passados do Simcenter Amesim para o Simcenter Prescan para posicionar a geometria da aeronave e os sensores em relação ao ambiente. Em seguida, o Simcenter Prescan processa os dados dos sensores e fornece as informações da trajetória de referência. Os algoritmos de detecção de objetos e planejamento de trajetória segura utilizam essa entrada para calcular uma trajetória segura. Essa trajetória é então passada para o Simcenter Amesim.
Figura 1: Estrutura da simulação
Modelagem do veículo de mobilidade aérea urbana e do ambiente
Para demonstrar essa abordagem, o estudo utiliza um octocóptero totalmente elétrico, de quatro lugares, com parâmetros de projeto realistas. O veículo de mobilidade aérea urbana possui quatro conjuntos de duas hélices contrarrotativas embutidas. Cada hélice é acoplada a um motor elétrico de 200 kW baseado no antigo motor Siemens SP-200D . Uma bateria com capacidade de 110 kWh alimenta a aeronave. Como resultado, o veículo possui uma autonomia de 15 minutos com uma velocidade de cruzeiro de 120 km/h.
O modelo Simcenter Amesim contém 8 modelos de hélices acoplados a 8 modelos de motores síncronos modulados em fase. Juntamente com um modelo de 6 graus de liberdade e um modelo aerodinâmico simplificado, ele fornece o comportamento da dinâmica de voo. O modelo do sistema também inclui uma bateria, elementos de contato com o solo e malhas de controle PID. As malhas de controle PID fazem com que a aeronave siga uma trajetória segura.
Implementou-se um modelo de alta fidelidade do campus Siemens Perlach, próximo a Munique, como um ambiente urbano no Simcenter Prescan. O modelo de sensor lidar do Simcenter Prescan representa um sistema lidar comercial de alto desempenho, fornecendo informações de nuvem de pontos do ambiente. Por fim, um algoritmo simplificado de detecção e desvio de obstáculos no Simulink foi implementado.
Simulação de múltiplos cenários de colisão
O estudo simulou múltiplos cenários de colisão para avaliar as funções de detecção e evasão de obstáculos utilizando a estrutura de simulação. Os cenários incluem um guindaste de torre com diferentes orientações na trajetória de voo planejada.
Diferentes trajetórias foram calculadas dependendo da orientação do guindaste. Quando o guindaste está posicionado perpendicularmente à trajetória de voo, ele é detectado com bastante antecedência. Um desvio suave sobre o guindaste garantiu operações seguras. No entanto, quando o guindaste está alinhado com a trajetória de voo, ele é detectado muito tarde. Uma manobra lateral agressiva pode evitar o obstáculo. Nesse caso, a simulação do sistema revelou que os sistemas de propulsão tiveram que operar próximos aos seus limites.
Os resultados também mostram os níveis de aceleração da aeronave para a avaliação estrutural da aeronave e a avaliação do conforto dos passageiros durante as manobras de evasão.
Figura 2: Resultados da simulação do sistema de manobra de evasão de obstáculos.
Este estudo conclui que o Simcenter Amesim, juntamente com o Simcenter Prescan, inclui todas as capacidades necessárias para apoiar o desenvolvimento e a validação de funções de voo automatizadas de veículos autônomos de mobilidade aérea urbana.
Este estudo pode ser ampliado com:
Simulações de movimento do corpo humano de passageiros modeladas com o Simcenter Madymo.
O acoplamento com a simulação da dinâmica da aeronave com o Simcenter 3D Motion.
Previsão do ruído de sobrevoo utilizando o Simcenter 3D Acoustics.
Jan Verheyen realizou o estudo acima como parte de seu estágio na Siemens Digital Industries Software em Leuven, Bélgica. Jan é mestrando em engenharia aeroespacial pelo departamento de controle e simulação da Universidade de Tecnologia de Delft.
A CAEXPERTS pode ajudar sua empresa a acelerar o desenvolvimento de veículos autônomos de mobilidade aérea com soluções avançadas de simulação e gêmeos digitais, garantindo segurança e eficiência em cada etapa do projeto. Agende uma reunião conosco e descubra como transformar seu processo de desenvolvimento aeroespacial com o Simcenter Amesim.
WhatsApp: +55 (48) 98814-4798
E-mail: contato@caexperts.com.br
