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Instrumentos e
Aviônica

COLLINSON, R. P. G. Introduction to Avionics Systems. 3. ed. Boston: Springer, 2011. Capítulo 1 — Acessar material

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

Cap. 1

Primeiro Uso do Termo

Quando e onde foi utilizado pela primeira vez?

  • O termo aviônica foi utilizado inicialmente nos Estados Unidos
  • Isso ocorreu no início dos anos cinquenta (década de 1950)
  • A necessidade de unificar conceitos de aviação com eletrônica impulsionou o termo
Cap. 1

Custo da Aviônica

Qual a porcentagem aproximada do custo total de uma aeronave moderna?

  • Os equipamentos aviônicos representam cerca de 30% do custo total de uma aeronave moderna
  • Em aeronaves militares de alta tecnologia (AWACS) esse percentual pode chegar a 50-75%
  • Em aviação geral (aeronaves de pequeno porte), representa aproximadamente 10% do custo
  • Por que a diferença? Aviônica militar emprega sistemas redundantes, sensores de guerra eletrônica, radar AESA, e equipamentos endurecidos (mil-spec). Já a aviação geral usa equipamentos civis certificados (TSO) sem redundância, resultando em custo proporcional menor.
Cap. 1

Primeiro Sistema Aviônico

Qual foi o primeiro sistema aviônico instalado em uma aeronave?

  • O primeiro sistema foi um equipamento de rádio bidirecional, instalado em 1910 nos Estados Unidos (Nova York)
  • Instalado para permitir comunicação entre piloto e solo
  • A evolução seguiu: rádio → INS → FBW → Glass Cockpit
INS
Inertial Navigation System
Sistema de Navegação Inercial
FBW
Fly-By-Wire
Comando de Voo por Fios
Glass Cockpit
Cabine de Vidro
Painel digital com displays eletrônicos
Cap. 1

Diagrama de Sistemas Aviônicos Modernos

Como os sistemas aviônicos se integram em uma aeronave moderna?

Diagrama de Sistemas Aviônicos Modernos
  • Sensores (ADC, INS, GNSS), rádio-navegação (VOR, DME, ILS), radar e comunicações interligados por barramento ARINC 429 / MIL-STD-1553
  • Aviônica distribuída — cada LRU é um subsistema certificado (DO-178C/DO-254), sem computador central único

Texto completo no material de apoio — Collinson, Cap. 1

Cap. 1

Primary Flight Display (PFD)

  • Altitude, velocidade indicada, atitude (pitch & bank), proa (heading)
  • Número Mach, velocidade vertical (V/S) — substitui 6 instrumentos analógicos
  • Layout padrão: esquerda=IAS (Velocidade indicada) + Mach (Número Mach), centro=horizonte artificial, direita=altitude + V/S (Velocidade Vertical)
IAS
Indicated Airspeed
Velocidade Indicada
V/S
Vertical Speed
Velocidade Vertical
Mach
Mach Number
Número Mach
Cap. 1

A Cabine de Vidro do Airbus A340

Como é o glass cockpit do Airbus A340?

Airbus A340 Flight Deck
Airbus A340 airliner A340 main panel
  • Seis displays CRT lado a lado: PFD + ND para cada piloto e ECAM central
  • Cada PFD substitui seis instrumentos analógicos — transição CRT→LCD nos A340-500/600

Texto completo no material de apoio — Collinson, Cap. 1

PFD
Primary Flight Display
Display Primário de Voo
ND
Navigation Display
Display de Navegação
ECAM
Electronic Centralized Aircraft Monitor
Monitor Centralizado Eletrônico
Cap. 1

Comunicação de Longo Alcance

Quais faixas de frequência são usadas?

  • HF (High Frequency): 2-30 MHz — comunicação além do horizonte
  • VHF (Very High Frequency): 118-137 MHz — linha de visada, mais comum
  • UHF (Ultra High Frequency): 225-400 MHz — uso militar
  • SATCOM: comunicação via satélite para cobertura global
Cap. 1

Fly-by-Wire (FBW)

Qual o principal benefício do FBW?

  • Permite aeronaves mais leves com estabilidade aerodinâmica reduzida
  • Os comandos do piloto são interpretados por computador, não por cabos diretos
  • Isso otimiza a estrutura da aeronave e melhora a eficiência de combustível
FBW
Fly-By-Wire
Comando de Voo por Fios
HOTAS
Hands-On Throttle and Stick
Mãos no Manete e Manche
FBW
Sistema que substitui ligações mecânicas por sinais elétricos digitais
Cap. 1

O Eurofighter Typhoon e o Controle Fly-by-Wire

Como o FBW militar difere do civil?

Eurofighter Typhoon cockpit
Eurofighter 2000
  • FBW de 4 canais compensa instabilidade aerodinâmica deliberada (relaxed static stability) — até 40 correções/s
  • Cockpit HOTAS com 3 MFDs + HUD + envelope protection — conceito depois adotado no Airbus A320

Texto completo no material de apoio — Collinson, Cap. 1

HOTAS
Hands-On Throttle and Stick
Mãos no Manete e Manche
MFD
Multi-Function Display
Display Multifunção
HUD
Head-Up Display
Display de Cabeça Elevada
Cap. 1

Sistema de Dados do Ar

Quais parâmetros o Air Data Computer calcula?

  • Altitude: calculada a partir da pressão estática
  • Velocidade: CAS/TAS pela diferença entre pressão total e estática
  • Mach: número Mach, calculado da velocidade em relação ao som
  • V/S (velocidade vertical) e AOA (ângulo de ataque)
Cap. 1

Sistema Inercial (INS)

O que o INS fornece além de atitude e proa?

  • O INS fornece velocidade, posição geográfica e vetor velocidade
  • Utiliza acelerômetros e giroscópios para navegação autônoma
  • Não depende de referências externas — funciona em qualquer ambiente
Gimbals
Anéis articulados que permitem rotação livre do sensor em relação à base
Strapdown
Configuração onde sensores são fixos ao corpo da aeronave (sem gimbals)
Cap. 1

Sistemas de Referência Modernos

Qual a configuração dos sistemas modernos de atitude e proa?

  • Configuração strapdown: sensores fixos ao corpo da aeronave (sem gimbals)
  • Computadores digitais processam as rotações e acelerações em tempo real
  • Substituíram os sistemas giroscópicos de plataforma inercial com gimbals
AHRS
Attitude and Heading Reference System
Sistema de Referência de Atitude e Proa
Dead Reckoning
Navegação por Estimativa — posição calculada a partir de velocidade, tempo e rumo
Cap. 1

Navegação por Estima (DR)

Qual a característica inerente da navegação Dead Reckoning?

  • O erro de posição cresce com o passar do tempo
  • Parte de uma posição conhecida e estima a nova posição por velocidade e rumo
  • Requer correção periódica por outros sistemas (GPS, VOR)
Cap. 1

GPS — Entrada em Operação

Quando o GPS entrou em plena operação?

  • O GPS atingiu capacidade operacional plena em 1989
  • Revolucionou a navegação aérea com precisão global
  • Sistema de 24 satélites em órbita terrestre média
Azimutal
Ângulo medido no plano horizontal em relação ao Norte (0-360°)
Slant
Distância inclinada (3D) entre dois pontos, considerando altitude
Cap. 1

Auxílios de Rádio

Quais sistemas fornecem distância e marcação?

  • VOR (VHF Omnidirectional Range) — fornece marcação azimutal
  • DME (Distance Measuring Equipment) — fornece distância slant
  • TACAN (Tactical Air Navigation) — versão militar que combina marcação e distância
  • ILS (Instrument Landing System) — auxílio à aproximação de precisão
Cap. 1

Radar Meteorológico

Qual a função principal do radar meteorológico civil?

  • Detectar presença de água na atmosfera e alertar sobre tempestades
  • Permite desvio de células de mau tempo com antecedência
  • Opera em banda X ou banda C, varrendo o horizonte à frente da aeronave
Cap. 1

Sensores Infravermelhos

Qual a principal vantagem dos sensores IV?

  • São totalmente passivos — não emitem radiação detectável
  • Operam por discrição tática, ideais para aplicações militares
  • Detectam assinaturas térmicas de aeronaves, veículos e alvos terrestres
FLIR
Forward-Looking Infra-Red
Infravermelho de Visão Frontal
IRST
Infra-Red Search and Track
Busca e Rastreio por Infravermelho
DAL A
Design Assurance Level A — nível mais crítico de certificação (falha catastrófica)
Cap. 1

Piloto Automático

Qual a capacidade adicional dos pilotos automáticos de alta integridade?

  • Autoland Categoria III — pouso automático mesmo com visibilidade zero
  • Integração com FMS para execução de todo o perfil de voo
  • Classificado como sistema crítico de segurança (DAL A)
Cap. 1

Flight Management System (FMS)

Que tarefas o FMS executa?

  • Planejamento de voo, gerenciamento de navegação e controle de motor
  • Perfil vertical 4D com otimização de combustível e tempo
  • Calcula trajetórias e comanda o piloto automático para segui-las
Cap. 1

Full Authority Digital Engine Control (FADEC)

O que caracteriza o sistema FADEC?

  • Full Authority Digital Engine Control — controle total sobre o motor
  • Gerencia empuxo, partida, proteção contra surtos e limites operacionais
  • Substitui controles mecânicos por atuação eletrônica digital completa
Display Sinóticos
Diagramas esquemáticos dos sistemas da aeronave (hidráulico, elétrico, combustível) mostrados em displays multifuncionais
Cap. 1

Housekeeping

Quais tarefas fazem parte do gerenciamento doméstico?

  • Gerenciamento do sistema de combustível (fuel), elétrico e hidráulico
  • Monitoramento de pressurização, ar condicionado e sistemas de emergência
  • Apresentado em displays sinóticos para rápida interpretação pela tripulação
Cap. 1

Efeito Alavancagem

Qual o efeito multiplicador do peso desnecessário?

  • Cada 1 kg extra de equipamento requer aproximadamente 10 kg de estrutura
  • Isso se deve ao efeito alavancagem (peso × estrutura)
  • Impacta diretamente no consumo de combustível e desempenho
DO-160
RTCA DO-160 — Padrão de condições ambientais e testes para equipamentos aeronáuticos (vibração, temperatura, RF, etc.)
Cap. 1

Temperatura de Operação

Qual a faixa de temperatura para equipamentos militares?

  • Equipamentos aviônicos militares operam de −40°C a +70°C
  • Ambientes severos incluem também vibração, altitude e umidade extremas
  • Requer certificação ambiental rigorosa (DO-160)

Dos Sensores aos Displays

A interface entre a máquina e o piloto

Cap. 7

Exemplo do Pipeline Sensor–Display: Detecção de Wind Shear

Como o radar meteorológico detecta wind shear?

Wind shear detection
  • Radar banda X emite pulsos de RF e analisa o deslocamento Doppler do eco de partículas de água na atmosfera
  • Pipeline: sensor → processador digital (velocidade radial + variância espectral) → alerta visual codificado (vermelho=perigo, amarelo=alerta)

Texto completo no material de apoio — Collinson, Cap. 7

Wind Shear
Cisalhamento de vento — mudança brusca na direção/velocidade do vento
Banda X
Faixa 8-12 GHz — radar meteorológico de alta resolução
Deslocamento Doppler
Mudança de frequência causada pelo movimento relativo entre fonte e observador
Cap. 7

Primary Flight Display Eletrônico (PFD)

PFD Airbus A320
  • O PFD eletrônico substitui seis instrumentos analógicos
  • Velocímetro, horizonte artificial, altímetro, VSI, heading indicator, Mach meter
  • Formato integrado numa única tela de alta resolução
Cap. 7

Navigation Display no Airbus A320

Como PFD e ND se complementam no cockpit?

Navigation Display
  • ND: modos ROSE-NAV, ARC (90°), PLAN e MAP — ambos via ARINC 429 com FMS/ADIRS

Texto completo no material de apoio — Collinson, Cap. 7

Cap. 7

Orientação no PFD

Como o PFD indica orientação espacial?

  • Convenção de cores: céu azul acima da linha do horizonte, terra marrom abaixo
  • Pitch scale com marcadores a cada 5° ou 10°
  • Indicador de bank (curva) no topo do horizonte artificial
Cap. 7

Engine Indication and Crew Alerting System (EICAS)

Qual a principal função do display EICAS?

  • Engine Indication and Crew Alerting System
  • Exibe parâmetros essenciais dos motores (N1, N2, EGT, fuel flow)
  • Alerta a tripulação sobre falhas e condições anormais dos sistemas
Cap. 7

EICAS e Displays Sinóticos

Como EICAS e sinóticos complementam o monitoramento?

EICAS display
Synoptic display
  • EICAS: bargraphs de N1, N2, EGT e FF com alerta progressivo (branco → âmbar → vermelho)
  • Sinóticos: topologia dos subsistemas (hidráulico, elétrico, combustível) com codificação verde/âmbar/vermelho

Texto completo no material de apoio — Collinson, Cap. 7

Cap. 7

Sobreposição Militar

Qual técnica combina vídeo e símbolos em displays militares?

  • Modo cursive (strokes) para símbolos vetoriais de alta definição
  • Modo raster para imagem de vídeo de sensores (FLIR, radar, TV)
  • Sobreposição de símbolos cursivos sobre o vídeo raster do sensor
Cap. 7

Técnica de Sobreposição Raster-CURSIVE em Displays Militares

Como raster e cursivo se combinam em um display militar?

Raster overlay military display
  • Fundo: vídeo FLIR em varredura raster (525/875 linhas, RS-170 / STANAG 3350)
  • Overlay: símbolos cursivos (retícula, azimute, elevação) gerados por processador dedicado em ciclos de quadro sincronizados

Texto completo no material de apoio — Collinson, Cap. 7

Cap. 7

Geração Raster

Como se determina a posição de um pixel na varredura raster?

  • A posição horizontal é determinada pelo atraso desde o pulso de sincronismo horizontal
  • A posição vertical é determinada pelo número da linha de varredura
  • O pixel é ativado quando o feixe de elétrons passa pela coordenada correta
Cap. 7

Mapa Digital Colorido

Qual a vantagem do mapa digital sobre o mapa projetado?

  • Escala variável: zoom contínuo sem perda de resolução
  • Visão antecipada: mostra o terreno à frente com atualização em tempo real
  • Integração com dados de navegação (rota, waypoints, obstáculos)
Cap. 7

Modos de Visualização de Mapas Digitais

Quais são os modos de apresentação de mapas digitais?

Fixed north-up map

North-Up (Fixo)

Scrolling map

Scrolling

Track-up rotating map

Track-Up (Rotativo)

  • North-up: aeronave se move sobre mapa fixo; Scrolling: mapa desliza com a aeronave; Track-up: mapa gira alinhando direção para cima
  • Track-up reduz carga cognitiva em aproximação e voo tático — alinha o mapa com a cena externa

Texto completo no material de apoio — Collinson, Cap. 7

Cap. 7

Dados Cartográficos

Como os dados de mapa digital são armazenados?

  • Coordenadas vetoriais armazenadas em bancos de dados cartográficos digitais
  • Incluem elevação de terreno, obstáculos, aeroportos e espaços aéreos
  • Formatos padronizados para interoperabilidade entre sistemas
Cap. 7

Fusão de Dados

Qual o objetivo principal da fusão de dados?

  • Fundir informações de múltiplos sensores (radar, IR, TV, GPS)
  • Produzir dados que nenhum sensor individual conseguiria fornecer
  • Criar uma imagem de situação única e coerente para o piloto
Cap. 7

Fusão de Dados e Gerenciamento Inteligente de Displays

Como a fusão de sensores cria uma imagem de situação única?

Data fusion display
Intelligent display management
  • Fusão FLIR + radar Doppler + DTED + simbologia de navegação → imagem coerente única (visão "through" neblina/noite)
  • Intelligent display management: sistema adaptativo prioriza informações conforme fase de voo — precursor do adaptive cockpit

Texto completo no material de apoio — Collinson, Cap. 7

Cap. 7

Fusão em Baixa Visibilidade

Como a fusão de dados auxilia em visibilidade reduzida?

  • Gera uma imagem sintética do terreno combinando radar, IR e banco de dados
  • Sobreposta à cena real ou apresentada em tela dedicada
  • Permite que o piloto 'veja' obstáculos mesmo em condições IMC severas
Cap. 7

CRT Colorido

Qual tipo de CRT colorido usa três canhões separados?

  • Shadow-Mask CRT: três canhões (R, G, B) com máscara de sombra
  • Beam-Index CRT: um canhão com detecção de fase do fósforo
  • Penetron CRT: tensão anódica variável para trocar a cor do fósforo
  • Shadow-mask domina displays coloridos de alta resolução
Cap. 7

Tecnologia de Displays

Qual a tecnologia emergente para HDD?

  • Active Matrix TFT LCD com transistores individuais por pixel
  • RGB color, alto brilho e contraste para cockpit iluminado
  • OLED e plasma tático como alternativas emergentes
Cap. 7

LCD Touch Screen em Cockpit — A Transição CRT–LCD

Como a tecnologia touch IR funciona em cockpits?

LCD touch screen cockpit
IR beam matrix
  • AMLCD TFT: maior brilho, menor peso/consumo, vida útil superior ao CRT — essencial em cockpits com luz solar direta
  • Matriz IR: feixes infravermelhos em grade X-Y, funciona com luvas, vibração e −40°C a +70°C — domina cockpits profissionais

Texto completo no material de apoio — Collinson, Cap. 7

Cap. 7

Painel Tátil (Touch)

Como funciona um painel de toque tátil?

  • Matriz de feixes infravermelhos (IR beam matrix)
  • Os dedos interrompem feixes de luz, detectando a posição do toque
  • Não requer pressão física — resistente a vibração e ambiente hostil
Cap. 7

Entrada por Voz

Qual a principal vantagem do Direct Voice Input?

  • Comandos por voz permitem que o piloto mantenha a visão frontal
  • Não desvia a atenção para painéis ou controles
  • Exemplos: 'Radio → 345.6' ou 'Navigation → waypoint'
Cap. 7

Análise Espectral da Fala para Comando por Voz

Como o espectrograma de fala viabiliza o DVI?

Speech spectral analysis
  • Espectrograma: tempo × frequência (0–8 kHz) × intensidade — formantes e transientes caracterizam cada fonema
  • DVI aeronáutico: 50–200 palavras, DTW/redes neurais — piloto mantém HOTAS + olhos no HUD; ruído >95 dB exige cancelamento ativo

Texto completo no material de apoio — Collinson, Cap. 7

Cap. 7

Rastreador Ocular

Qual o princípio físico do rastreador de reflexão corneana?

  • Mede a distância entre o ponto de reflexão corneana e o centro da pupila
  • A pupila e a reflexão corneana movem-se diferentemente conforme o olhar
  • Precisão de ±0,5° a 50 Hz, usado para designação de alvos
Cap. 7

Princípio do Rastreador Ocular por Reflexão Corneana

Como a reflexão corneana permite rastrear o olhar?

Eye tracker principle
  • Câmera IR monitora centro da pupila + glint (reflexão fixa na córnea) — distância vetorial ≈ direção do olhar
  • ±0,5° a 50 Hz — integrado ao HMDS no Typhoon e F-35: designação de alvos pelo olhar, fechando o ciclo sensor → display → interação

Texto completo no material de apoio — Collinson, Cap. 7

Resumo da Apresentação

Revise todo o material antes de responder ao questionário

Fim da Apresentação

COLLINSON, R. P. G. Introduction to Avionics Systems. 3. ed. Springer, 2011. — Acessar material