Visão Geral de
Aviônica e
Instrumentos de Voo

COLLINSON, R. P. G. Introduction to Avionics Systems. 3. ed. Boston: Springer, 2011.

Cap. 1 (Introduction) · Cap. 7 (Displays and Man-Machine Interaction)

IFSP - Prof. Fabriciu Benini

Prof. Fabriciu Alarcão Veiga Benini

Professor de Ensino Básico, Técnico e Tecnológico

Área Aeronáutica

Engenheiro Eletricista · Mestre em Sistemas Dinâmicos

Doutor em Telecomunicações

INSTITUTO FEDERAL

DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA

SÃO PAULO

Campus São Carlos

SEGURANÇA OPERACIONAL

Objetivos do Curso e Segurança Operacional

A aviônica é a espinha dorsal da segurança operacional, garantindo precisão nos comandos e redundância nos sistemas elétricos/eletrônicos.

Segurança em loop contínuo

Cap. 1

O que é Aviônica?

Aviation + Electronics — o termo que nasceu nos anos 1950

Definição

Sistemas eletrônicos a bordo da aeronave. Inclui sensores, computadores, comunicações, navegação e displays.

FBW, INS, GPS, Radar, HUD, Rádio...

Origem

Termo criado nos EUA nos anos 1950 para descrever sistemas que uniam aviação e eletrônica.

Evolução: rádio → INS → FBW → Glass Cockpit
FBW digital Sensores inerciais Comms / Nav Displays
Cap. 1

Importância Econômica

A aviônica representa uma parcela crescente do custo total

0%

Aeronave militar ou civil

0%

Patrulha marítima / ASW

0%

AWACS (Alerta Antecipado)

Aviônica de aviação geral: ~10% do custo total

Cap. 1

Drivers da Aviônica

O que impulsiona a evolução dos sistemas embarcados

Tripulação Mínima

4→2 (civil) / 2→1 (militar)

Segurança

All-weather, redução de acidentes

Controle Aéreo

ATC, transponder, TCAS

Eficiência

FMS, rota otimizada, menos combustível

Ameaças Militares

Radar, IRST, EW, contra-medidas

Manutenção

BITE, monitoramento onboard

Cap. 1

O Sistema Aeronave

Sensores → Computadores → Displays → Atuação

🛰️ Sensores
Air Data, IRS, GPS
🧠 Processamento
ADIRU, FMS, DAU
🖥️ Displays
HUD, PFD, ND, EICAS
⚙️ Atuação
FBW, FADEC, A/P
SISTEMAS

Arquitetura do Sistema Eletroeletrônico

O fluxo de informações na aeronave é contínuo

Sensores

Air Data, Inerciais, Radares, IV

Processamento

Piloto automático, Motor

Displays & Atuadores

Painéis, Servo-válvulas

Cap. 1

Os 5 Pilares da Aviônica

Camadas hierárquicas (Fig. 1.1 — Collinson)

Cap. 1 §1.1.1

Interface com o Piloto

A camada mais próxima do ser humano

🖥️ Displays
HUD, HMD, PFD, ND
📡 Comms
V/UHF, SATCOM
⌨️ Entrada
Touch, DVI, Eye Track
🎮 Controle
FBW, Envelope
INTERFACE

Interação Homem-Máquina (MMI)

Dados caóticos → Informação ordenada

Os displays fornecem a apresentação visual primária de voo, navegação, dados do motor e avisos de sistema. O cérebro do piloto absorve grandes quantidades de informação — mas esses dados precisam ser exibidos para permitir rápida assimilação em situações de alta carga de trabalho.

Cap. 1 §1.1.2

Sensores de Estado

Air Data vs Inercial — duas metades do mesmo sistema

Air Data

  • Altitude — pressão estática
  • CAS / TAS — diferença Pᵗᵒᵗᵃˡ − Pˢᵗᵃᵗⁱᶜ
  • Mach — número Mach
  • V/S — velocidade vertical
  • AOA — ângulo de ataque

Inercial

  • AHRS — Attitude + Heading
  • Strap-down — sem gimbals
  • INS — atitude + posição + velocidade
  • Autônomo — sem acesso externo
  • ADIRU — Air Data + Inercial

Sensores de estado: conhecimento preciso de atitude, heading, altitude e velocidade

Cap. 1 §1.1.3

Sistemas de Navegação

Dead Reckoning + Rádio = cobertura global

Suite completa: INS + GPS + VOR/DME + ILS — muitos em duplex/triplex

Cap. 1 §1.1.4

Sensores do Mundo Externo

Radar ativo × IR passivo

Radar

  • Ativo — emite e recebe
  • Weather radar (civil)
  • Multi-mode (militar): AI, ground map, terrain avoid
  • Alcance até 100 nm + look-down

Infravermelho

  • Passivo — não emite sinal
  • FLIR — imagem térmica em tempo real
  • Visão noturna similar à diurna
  • Discriminação de alvos camuflados

Complementares: radar ativo para detecção, IR passivo para discrição tática

Cap. 1 §1.1.5

Automação de Tarefas

Sistemas que reduzem a carga de trabalho e permitem tripulação mínima

FMS

  • • Flight planning
  • • Nav management
  • • Perfil 4D + otimização

Autopilot

  • • Height / Heading hold
  • • ILS coupled approach
  • • Auto land Cat III

FADEC + Housekeeping

  • • Full Authority Engine
  • • Health monitoring
  • • Fuel / Electric / Hydraulics
Cap. 1 §1.2

O Ambiente Aviônico

Condições severas, peso crítico, confiabilidade ao extremo

10:1

Peso × estrutura
Efeito alavancagem

−40°C
+70°C

Faixa de temperatura operacional

9g

Aceleração em teste
Vibração extrema

10×

Custo vs equivalente terrestre

Transição

Dos Sensores aos Displays

Cap. 1 — Sensores e Processamento → Cap. 7 — Displays e Interação Homem-Máquina

Cap. 7 §7.1

O Papel dos Displays

"Apresentação visual das informações dos sensores e sistemas"

✈️ Primárias
🗺️ Navegação
⚙️ Motor
🔧 Sistemas
⚠️ Alertas
Cap. 7

Tipos de Display

Três famílias: HUD, HMD, HDD — cada uma com seu papel

HUD

Head-Up Display

Projeta no campo de visão. Cabeça "para cima".
Primário

HMD

Helmet-Mounted Display

"HUD no capacete". Qualquer direção que olhe.
360°

HDD

Head-Down Display

Monitores no painel: PFD, ND, EICAS.
Multifunção
DIAGNÓSTICO

Displays Sinóticos e Manutenção

Além do voo primário, os HDDs oferecem as Telas Sinóticas (Synoptic Displays). Elas mostram representações gráficas em tempo real dos sistemas hidráulico, elétrico e de combustível.

Análise Sinótica

Cap. 7 §7.2

Head-Up Display (HUD)

"O avanço mais importante nos últimos 30 anos em displays"

>100k

Cd/m² de brilho

1 mrad

Precisão de mira

30°×20°

FOV holográfico

Cursive
+ Raster

Dois modos

HUD holográfico: combiner com rugate coating + holograma de volume (Dickson grating)

SEGURANÇA

A Regra do "1 Segundo"

Tradicional vs HUD: 1s de diferença

Ao olhar para os instrumentos inferiores e retornar para a janela, o olho humano sofre um tempo de acomodação de 1 segundo ou mais. Em pousos com cisalhamento de vento (wind shear) ou combates de alta velocidade, a visão contínua "Head Up" é um fator crítico de sobrevivência.

1 segundo que pode salvar vidas

Cap. 7 §7.3-7.4

HMD vs HUD

Cada um com seu domínio — e as diferenças são cruciais

HMD

  • Visão 360° — segue o olhar
  • Head tracking + NVGs integrado
  • Precisão: 5-10 mrad
  • Peso no capacete — fadiga em G

HUD

  • Fixo, campo de visão limitado
  • Colimado — imagem no infinito
  • Precisão: ~1 mrad
  • Display primário de voo

Tendência: HMD + HUD combinados (F-35, Eurofighter)

Cap. 7 §7.5

Head-Down Displays

"Wall to wall" colour displays no cockpit moderno

Cap. 7 §7.5.2

Cockpit de Vidro

Glass cockpit — telas multifunção substituem instrumentos analógicos

Layout A340 (exemplo)

  • • 6 displays: 2×PFD + 2×ND + 2×EICAS
  • • 3× MCDU (Multipurpose Control & Display)
  • • Side-stick — painel mais limpo
  • • Reconfigurável em caso de falha

Vantagens

  • • Reconfigurável em emergência
  • • Cores destacam informações críticas
  • • Redução do scan do piloto
  • • Menos peso, menos fiação

Padrão ARINC: displays de 5×5 a 8×8 polegadas

Síntese

Classificação dos Instrumentos

Primários vs Standby, Head-Up vs Head-Down

🟢

Primários (PFD)

Altitude, velocidade, atitude, heading, Mach, V/S — display eletrônico principal. Substitui 6 instrumentos analógicos.

🟡

Standby

Attitude + Altímetro + Airspeed. Funciona independente dos primários. Falha total da eletrônica.

⬆️

Head-Up

HUD — projetado no campo de visão externo. Display primário em caças. Também em airliners (A380, B787).

⬇️

Head-Down

PFD, ND, EICAS, Synoptics — montados no painel. Cockpit de vidro "wall to wall".

Cap. 7

Primary Flight Display

O display mais crítico — layout em "T" clássico

Esquerda
Velocidade (IAS) + Mach
Centro
Horizonte + Pitch + Bank
Direita
Altitude + V/S
Base
Heading/Track
Cap. 7 §7.8

Tecnologia dos Displays

CRT → LCD → Active Matrix — a evolução

CRT

  • Monocromático (verde)
  • Brilho >100k Cd/m²
  • spot size crítico
  • Domina HUD

LCD

  • Active Matrix TFT
  • RGB color + IR touch
  • Menos peso e consumo
  • Domina HDD

Emergentes

  • Active Matrix OLED
  • Electro-luminescent
  • Plasma tático
  • LED para warnings
Cap. 7 §7.9

Controle e Entrada de Dados

Como o piloto interage com os sistemas

Touch / Tactile

  • IR beam matrix
  • Soft keys reconfiguráveis
  • Surface com X,Y,Z

Direct Voice Input

  • Reconhecimento de fala
  • "Radio → 345.6"
  • "Navigation → waypoint"

Eye Trackers

  • Corneal reflection
  • Gaze ±0.5° a 50 Hz
  • Target designation
Cap. 7 §7.6-7.7

Data Fusion & Displays Inteligentes

Fusão de sensores + gerenciamento inteligente da informação

Eurofighter 2000: HUD holográfico + HMD + HDDs + MCDU — display gerenciado por computador de missão

APLICAÇÃO PRÁTICA

O Elo com a Manutenção

Diagnóstico embarcado para o técnico e engenheiro

Sistemas avançados exigem Maintenance and Monitoring Systems embarcados para o diagnóstico diário. Para o técnico e o engenheiro, essas telas são janelas de diagnóstico profundo da arquitetura eletrônica da aeronave.

Diagnóstico em Loop

Resumo da Apresentação

  • Aviônica: 30-75% do custo da aeronave
  • Arquitetura: Sensores → Processamento → Displays → Atuação
  • 5 Pilares: Interface · Sensores · Navegação · Externos · Automação
  • Displays: HUD (head-up), HMD (capacete), HDD (PFD, ND, EICAS)
  • Cockpit de Vidro: Glass cockpit colorido multifunção

Collinson — Cap. 1 (Introduction) + Cap. 7 (Displays and Man-Machine Interaction)

Feito com Mira