Parole chiave:
Modellazione, simulazione e controllo del volo atmosferico e spaziale
Unmanned Aerial Systems (UAS) Design
1) La ricerca riguarda lo sviluppo e la sperimentazione di velivoli
in grado di compiere in modalità autonoma o semi-autonoma delle
missioni in condizioni ambientali per le quali l'impiego di
velivoli convenzionali pilotati risulta essere non conveniente dal
punto di vista economico oppure potenzialmente pericoloso per il
pilota stesso. 2) La ricerca riguarda lo sviluppo e
l'implementazione di sistemi in cui le informazioni relative alla
posizione, velocità e accelerazione di un veicolo (aereo, marino o
terrestre) vengono elaborate e fuse in una interfaccia grafica in
modo tale da costituire un ausilio per la navigazione in condizioni
di scarsa visibilità. 3)La ricerca riguarda lo sviluppo e la
simulazione numerica di leggi di controllo basate su tecniche
non-lineari. In particolare verranno affrontate problematiche
relative a: a) controllo della posizione e della traiettoria in
sistemi multi-agente e b) controllo di assetto per il
microsatellite ALMASAT.
1)La necessità di disporre di sistemi flessibili ed a basso costo
per il monitoraggio di aree interessate da fenomeni naturali
(terremoti, frane, alluvioni ed eruzioni vulcaniche) oppure
provocati dall'uomo (inquinamento ed incendi) ha stimolato la
ricerca scientifica verso lo sviluppo di piattaforme costiutuite da
un velivolo (ma anche veicoli terrestri e marini) non abitato (UAV)
e controllato da una stazione a terra. I suddetti sistemi sono in
grado di effettuare missioni in modalità di pilotaggio remoto e/o
in volo autonomo, dal momento che la diffusione di tecnologie
avanzate, inerenti sia il controllo del volo, sia le
apparecchiature di misura a bordo, hanno esaltato le potenzialità
di tale categoria di velivoli per il monitoraggio del territorio in
ambito civile. Un mezzo aereo in grado di svolgere missioni in
modalità parzialmente o completamente autonoma rappresenta una
soluzione ideale per la sorveglianza sistematica di aree critiche,
o per la prima ricognizione di aree soggette ad un evento
catastrofico, e costituisce quindi un valido supporto alla
pianificazione degli interventi di Protezione Civile in situazioni
di emergenza. Un sistema UAV offre inoltre un notevole vantaggio
economico nello svolgimento di operazioni di sorveglianza e di
rilevamento e riduce in modo consistente il coinvolgimento umano in
caso di incidenti di volo. Il sistema in oggetto è costituito dai
seguenti sottosistemi: a) Una piattaforma di volo ad ala fissa. b)
Una stazione di controllo a terra (GCS) c) Un apparato di di bordo
comprendente il sistem per la guida, navigazione e controllo del
velivolo. d) Un sistema in radiofrequenza per la ricezione dei dati
realtivi ai parametri di volo della piattaforma e per la
trasmissione dei dati di comando del velivolo. L'oggetto della
presente linea di ricerca consiste nello sperimentazione di un
sistema UAV per applicazioni di monitoraggio per tutte le aree poco
accessibili o ad elevato rischio per le piattaforme aeree
convenzionali. 2)Le potenzialità dei velivoli abitati e non abitati
possono essere notevolmente incrementate conferendo loro la
possibilità di pilotaggio in tutte le condizioni di scarsa
visibilità. A tale proposito è fondamentale la fase di elaborazione
e filtraggio delle variabili di posizione, velocità ed
accelerazione del velivolo al fine di sviluppare di un sottosistema
volto ad offrire un ulteriore ausilio grafico all'operatore del
velivolo durante la missione in cui viene richiesto l'inseguimento
di una traiettoria di riferimento. La soluzione che si intende
sviluppare nell'ambito della presente linea di ricerca è costituita
da una interfaccia grafica che visualizza in prospettiva un ‘tunnel
di volo', costituito da una serie di segmenti che uniscono i vari
waypoints che definiscono la traiettoria di riferimento, che può
essere sovrapposto o alla visuale di guida esterna, oppure ad uno
scenario ricostruito sinteticamente, oppure una fusione dei due,
alla stregua di un vero e proprio Head Up Display (HUD). Oltre al
tunnel di volo viene visualizzato, attraverso dei markers colorati,
il risultato più importante dell'operazione di filtraggio, ossia la
predizione in avanti (generalmente dell'ordine di qualche secondo,
in base alla velocità di volo) della futura posizione del velivolo,
e in base a questa vengono evidenziati i settori di tunnel che, in
futuro, saranno interessati dalla effettiva traiettoria del mezzo.
Prove sperimentali hanno evidenziato come la combinazione delle
informazioni visive provenienti dal tunnel di guida e dalla
predizione riduca le oscillazioni attorno alla traiettoria di
riferimeto durante la missione. 3)La tecnica più utilizzata per il
controllo di sistemi non lineari consiste nel linearizzare il
modello matematico dell'impianto da controllare attorno ad una
condizione di equilibrio e tra le tecniche più utilizzate in ambito
aerospaziale per il controllo del volo sono l'assegnamento di
autostruttura ed il controllo ottimo (LQR e LQ servo). Le
prestazioni del controllore così sintetizzato saranno tanto più
buone quanto più il modello linearizzato approssima il modello
non-lineare di partenza. L'accuratezza del sistema lineare dipende
da quanto è dominante la non linearità nell'intorno del punto di
equilibrio. In alcune condizioni, la non linearità può avere una
importanza tale da richiedere più punti di equilibrio attorno ai
quali linearizzare il sistema, progettando quindi un insieme di
controllori lineari (gain scheduling). Una via alternativa al
controllo lineare consiste nell'adottare delle leggi di controllo
anch'esse non lineari. Nell'ambito della presente linea di ricerca
verranno sviluppate e verificate sperimentalmente delle leggi di
controllo non lineari, basate sulla tecnica della Non-Linear
Dynamic Inversion, relativamente ai seguenti problemi a) controllo
della geometria della formazione di velivoli e b) controllo di
assetto di un microsatellite.