Biomechanics of smart wings in a bat robot: morphing wings using SMA actuators

This paper presents the design of a bat-like micro aerial vehicle with actuated morphing wings. NiTi shape memory alloys (SMAs) acting as artificial biceps and triceps muscles are used for mimicking the morphing wing mechanism of the bat flight apparatus. Our objective is twofold. Firstly, we have implemented a control architecture that allows an accurate and fast SMA actuation. This control makes use of the electrical resistance measurements of SMAs to adjust morphing wing motions. Secondly, the feasibility of using SMA actuation technology is evaluated for the application at hand. To this purpose, experiments are conducted to analyze the control performance in terms of nominal and overloaded operation modes of the SMAs. This analysis includes: (i) inertial forces regarding the stretchable wing membrane and aerodynamic loads, and (ii) uncertainties due to impact of airflow conditions over the resistance–motion relationship of SMAs. With the proposed control, morphing actuation speed can be increased up to 2.5 Hz, being sufficient to generate lift forces at a cruising speed of 5ms−1.

BaTboT: a biologically inspired flapping and morphing bat robot actuated by SMA-based artificial muscles

Bats are animals that posses high maneuvering capabilities. Their wings contain dozens of articulations that allow the animal to perform aggressive maneuvers by means of controlling the wing shape during flight (morphing-wings). There is no other flying creature in nature with this level of wing dexterity and there is biological evidence that the inertial forces produced by the wings have a key role in the attitude movements of the animal. This can inspire the design of highly articulated morphing-wing micro air vehicles (not necessarily bat-like) with a significant wing-to-body mass ratio. This thesis presents the development of a novel bat-like micro air vehicle (BaTboT) inspired by the morphing-wing mechanism of bats. BaTboT’s morphology is alike in proportion compared to its biological counterpart Cynopterus brachyotis, which provides the biological foundations for developing accurate mathematical models and methods that allow for mimicking bat flight. In nature bats can achieve an amazing level of maneuverability by combining flapping and morphing wingstrokes. Attempting to reproduce the biological wing actuation system that provides that kind of motion using an artificial counterpart requires the analysis of alternative actuation technologies more likely muscle fiber arrays instead of standard servomotor actuators. Thus, NiTinol Shape Memory Alloys (SMAs) acting as artificial biceps and triceps muscles are used for mimicking the morphing wing mechanism of the bat flight apparatus. This antagonistic configuration of SMA-muscles response to an electrical heating power signal to operate. This heating power is regulated by a proper controller that allows for accurate and fast SMA actuation. Morphing-wings will enable to change wings geometry with the unique purpose of enhancing aerodynamics performance. During the downstroke phase of the wingbeat motion both wings are fully extended aimed at increasing the area surface to properly generate lift forces. Contrary during the upstroke phase of the wingbeat motion both wings are retracted to minimize the area and thus reducing drag forces. Morphing-wings do not only improve on aerodynamics but also on the inertial forces that are key to maneuver. Thus, a modeling framework is introduced for analyzing how BaTboT should maneuver by means of changing wing morphology. This allows the definition of requirements for achieving forward and turning flight according to the kinematics of the wing modulation. Motivated by the biological fact about the influence of wing inertia on the production of body accelerations, an attitude controller is proposed. The attitude control law incorporates wing inertia information to produce desired roll (φ) and pitch (θ) acceleration commands. This novel flight control approach is aimed at incrementing net body forces (Fnet) that generate propulsion. Mimicking the way how bats take advantage of inertial and aerodynamical forces produced by the wings in order to both increase lift and maneuver is a promising way to design more efficient flapping/morphing wings MAVs. The novel wing modulation strategy and attitude control methodology proposed in this thesis provide a totally new way of controlling flying robots, that eliminates the need of appendices such as flaps and rudders, and would allow performing more efficient maneuvers, especially useful in confined spaces. As a whole, the BaTboT project consists of five major stages of development: - Study and analysis of biological bat flight data reported in specialized literature aimed at defining design and control criteria. - Formulation of mathematical models for: i) wing kinematics, ii) dynamics, iii) aerodynamics, and iv) SMA muscle-like actuation. It is aimed at modeling the effects of modulating wing inertia into the production of net body forces for maneuvering. - Bio-inspired design and fabrication of: i) skeletal structure of wings and body, ii) SMA muscle-like mechanisms, iii) the wing-membrane, and iv) electronics onboard. It is aimed at developing the bat-like platform (BaTboT) that allows for testing the methods proposed. - The flight controller: i) control of SMA-muscles (morphing-wing modulation) and ii) flight control (attitude regulation). It is aimed at formulating the proper control methods that allow for the proper modulation of BaTboT’s wings. - Experiments: it is aimed at quantifying the effects of properly wing modulation into aerodynamics and inertial production for maneuvering. It is also aimed at demonstrating and validating the hypothesis of improving flight efficiency thanks to the novel control methods presented in this thesis. This thesis introduces the challenges and methods to address these stages. Windtunnel experiments will be oriented to discuss and demonstrate how the wings can considerably affect the dynamics/aerodynamics of flight and how to take advantage of wing inertia modulation that the morphing-wings enable to properly change wings’ geometry during flapping. Resumen: Los murciélagos son mamíferos con una alta capacidad de maniobra. Sus alas están conformadas por docenas de articulaciones que permiten al animal maniobrar gracias al cambio geométrico de las alas durante el vuelo. Esta característica es conocida como (alas mórficas). En la naturaleza, no existe ningún especimen volador con semejante grado de dexteridad de vuelo, y se ha demostrado, que las fuerzas inerciales producidas por el batir de las alas juega un papel fundamental en los movimientos que orientan al animal en vuelo. Estas características pueden inspirar el diseño de un micro vehículo aéreo compuesto por alas mórficas con redundantes grados de libertad, y cuya proporción entre la masa de sus alas y el cuerpo del robot sea significativa. Esta tesis doctoral presenta el desarrollo de un novedoso robot aéreo inspirado en el mecanismo de ala mórfica de los murciélagos. El robot, llamado BaTboT, ha sido diseñado con parámetros morfológicos muy similares a los descritos por su símil biológico Cynopterus brachyotis. El estudio biológico de este especimen ha permitido la definición de criterios de diseño y modelos matemáticos que representan el comportamiento del robot, con el objetivo de imitar lo mejor posible la biomecánica de vuelo de los murciélagos. La biomecánica de vuelo está definida por dos tipos de movimiento de las alas: aleteo y cambio de forma. Intentar imitar como los murciélagos cambian la forma de sus alas con un prototipo artificial, requiere el análisis de métodos alternativos de actuación que se asemejen a la biomecánica de los músculos que actúan las alas, y evitar el uso de sistemas convencionales de actuación como servomotores ó motores DC. En este sentido, las aleaciones con memoria de forma, ó por sus siglas en inglés (SMA), las cuales son fibras de NiTinol que se contraen y expanden ante estímulos térmicos, han sido usados en este proyecto como músculos artificiales que actúan como bíceps y tríceps de las alas, proporcionando la funcionalidad de ala mórfica previamente descrita. De esta manera, los músculos de SMA son mecánicamente posicionados en una configuración antagonista que permite la rotación de las articulaciones del robot. Los actuadores son accionados mediante una señal de potencia la cual es regulada por un sistema de control encargado que los músculos de SMA respondan con la precisión y velocidad deseada. Este sistema de control mórfico de las alas permitirá al robot cambiar la forma de las mismas con el único propósito de mejorar el desempeño aerodinámico. Durante la fase de bajada del aleteo, las alas deben estar extendidas para incrementar la producción de fuerzas de sustentación. Al contrario, durante el ciclo de subida del aleteo, las alas deben contraerse para minimizar el área y reducir las fuerzas de fricción aerodinámica. El control de alas mórficas no solo mejora el desempeño aerodinámico, también impacta la generación de fuerzas inerciales las cuales son esenciales para maniobrar durante el vuelo. Con el objetivo de analizar como el cambio de geometría de las alas influye en la definición de maniobras y su efecto en la producción de fuerzas netas, simulaciones y experimentos han sido llevados a cabo para medir cómo distintos patrones de modulación de las alas influyen en la producción de aceleraciones lineales y angulares. Gracias a estas mediciones, se propone un control de vuelo, ó control de actitud, el cual incorpora información inercial de las alas para la definición de referencias de aceleración angular. El objetivo de esta novedosa estrategia de control radica en el incremento de fuerzas netas para la adecuada generación de movimiento (Fnet). Imitar como los murciélagos ajustan sus alas con el propósito de incrementar las fuerzas de sustentación y mejorar la maniobra en vuelo es definitivamente un tópico de mucho interés para el diseño de robots aéros mas eficientes. La propuesta de control de vuelo definida en este trabajo de investigación podría dar paso a una nueva forma de control de vuelo de robots aéreos que no necesitan del uso de partes mecánicas tales como alerones, etc. Este control también permitiría el desarrollo de vehículos con mayor capacidad de maniobra. El desarrollo de esta investigación se centra en cinco etapas: - Estudiar y analizar el vuelo de los murciélagos con el propósito de definir criterios de diseño y control. - Formular modelos matemáticos que describan la: i) cinemática de las alas, ii) dinámica, iii) aerodinámica, y iv) actuación usando SMA. Estos modelos permiten estimar la influencia de modular las alas en la producción de fuerzas netas. - Diseño y fabricación de BaTboT: i) estructura de las alas y el cuerpo, ii) mecanismo de actuación mórfico basado en SMA, iii) membrana de las alas, y iv) electrónica abordo. - Contro de vuelo compuesto por: i) control de la SMA (modulación de las alas) y ii) regulación de maniobra (actitud). - Experimentos: están enfocados en poder cuantificar cuales son los efectos que ejercen distintos perfiles de modulación del ala en el comportamiento aerodinámico e inercial. El objetivo es demostrar y validar la hipótesis planteada al inicio de esta investigación: mejorar eficiencia de vuelo gracias al novedoso control de orientación (actitud) propuesto en este trabajo. A lo largo del desarrollo de cada una de las cinco etapas, se irán presentando los retos, problemáticas y soluciones a abordar. Los experimentos son realizados utilizando un túnel de viento con la instrumentación necesaria para llevar a cabo las mediciones de desempeño respectivas. En los resultados se discutirá y demostrará que la inercia producida por las alas juega un papel considerable en el comportamiento dinámico y aerodinámico del sistema y como poder tomar ventaja de dicha característica para regular patrones de modulación de las alas que conduzcan a mejorar la eficiencia del robot en futuros vuelos.

Aerodynamic Modelling for a Morphing Rudder

The appearance of new materials and smaller and more capable actuators enable the morphing controlled deformation of the aerodynamic shape of wing like type of structures. This contribution presents the applied aerodynamics studies of a morphing rudder for a commercial transport aircraft. The conventional rudder aerodynamics is CFD modeled and the results correlated to certification loads report. The morphing rudder CFD model predicts better aerodynamics efficiency in relation to the conventional one. This conclusion is the first step for future commercial aircraft Vertical Tail Plane weight reductions with morphing rudder implementation.

Correction of systematic errors in Wide Area Multilateration

This work presents a method to estimate and correct slow time-dependent position errors due to non perfect ground station synchronization and tropospheric propagation. It uses opportunity traffic emissions, i.e. signals transmitted from the aircrafts within the coverage zone. This method is used to overcome the difficulty of installing reference beacons simultaneously visible by all the base stations in a given Wide Area Multilateration (WAM) system.

Survey and brain storming studies about machines, constructions, human and environmental risk consideration in the careers of the Universidad Politécnica of Madrid

The Universidad Politécnica of Madrid (UPM) includes schools and faculties that were for engineering degrees, architecture and computer science, that are now in a quick EEES Bolonia Plan metamorphosis getting into degrees, masters and doctorate structures. They are focused towards action in machines, constructions, enterprises, that are subjected to machines, human and environment created risks. These are present in actions such as use loads, wind, snow, waves, flows, earthquakes, forces and effects in machines, vehicles behavior, chemical effects, and other environmental factors including effects of crops, cattle and beasts, forests, and varied essential economic and social disturbances. Emphasis is for authors in this session more about risks of natural origin, such as for hail, winds, snow or waves that are not exactly known a priori, but that are often considered with statistical expected distributions giving extreme values for convenient return periods. These distributions are known from measures in time, statistic of extremes and models about hazard scenarios and about responses of man made constructions or devices. In each engineering field theories were built about hazards scenarios and how to cover for important risks. Engineers must get that the systems they handle, such as vehicles, machines, firms or agro lands or forests, obtain production with enough safety for persons and with decent economic results in spite of risks. For that risks must be considered in planning, in realization and in operation, and safety margins must be taken but at a reasonable cost. That is a small level of risks will often remain, due to limitations in costs or because of due to strange hazards, and maybe they will be covered by insurance in cases such as in transport with cars, ships or aircrafts, in agro for hail, or for fire in houses or in forests. These and other decisions about quality, security for men or about business financial risks are sometimes considered with Decision Theories models, using often tools from Statistics or operational Research. The authors have done and are following field surveys about risk consideration in the careers in UPM, making deep analysis of curricula taking into account the new structures of degrees in the EEES Bolonia Plan, and they have considered the risk structures offered by diverse schools of Decision theories. That gives an aspect of the needs and uses, and recommendations about improving in the teaching about risk, that may include special subjects especially oriented for each career, school or faculty, so as to be recommended to be included into the curricula, including an elaboration and presentation format using a multi-criteria decision model.

Comparative study of auxetic geometrics by means of computer-aided design and engineering

Auxetic materials (or metamaterials) are those with a negative Poisson ratio (NPR) and display the unexpected property of lateral expansion when stretched, as well as an equal and opposing densification when compressed. Such geometries are being progressively employed in the development of novel products, especially in the fields of intelligent expandable actuators, shape morphing structures and minimally invasive implantable devices. Although several auxetic and potentially auxetic geometries have been summarized in previous reviews and research, precise information regarding relevant properties for design tasks is not always provided. In this study we present a comparative study of two-dimensional and three-dimensional auxetic geometries carried out by means of computer-aided design and engineering tools (from now on CAD–CAE). The first part of the study is focused on the development of a CAD library of auxetics. Once the library is developed we simulate the behavior of the different auxetic geometries and elaborate a systematic comparison, considering relevant properties of these geometries, such as Poisson ratio(s), maximum volume or area reductions attainable and equivalent Young's modulus, hoping it may provide useful information for future designs of devices based on these interesting structures.

Instability and topology bifurcations on a hemisphere-cylinder at high angle of attack

La configuración de un cilindro acoplado a una semi-esfera, conocida como ’hemispherecylinder’, se considera como un modelo simplificado para numerosas aplicaciones industriales tales como fuselaje de aviones o submarinos. Por tanto, el estudio y entendimiento de los fenómenos fluidos que ocurren alrededor de dicha geometría presenta gran interés. En esta tesis se muestra la investigación del origen y evolución de los, ya conocidos, patrones de flujo (burbuja de separación, vórtices ’horn’ y vórtices ’leeward’) que se dan en esta geometría bajo condiciones de flujo separado. Para ello se han llevado a cabo simulaciones numéricas (DNS) y ensayos experimentales usando la técnica de Particle Image Velocimetry (PIV), para una variedad de números de Reynolds (Re) y ángulos de ataque (AoA). Se ha aplicado sobre los resultados numéricos la teoría de puntos críticos obteniendo, por primera vez para esta geometría, un diagrama de bifurcaciones que clasifica los diferentes regímenes topológicos en función del número de Reynolds y del ángulo de ataque. Se ha llevado a cabo una caracterización completa sobre el origen y la evolución de los patrones estructurales característicos del cuerpo estudiado. Puntos críticos de superficie y líneas de corriente tridimensionales han ayudado a describir el origen y la evolución de las principales estructuras presentes en el flujo hasta alcanzar un estado de estabilidad desde el punto de vista topológico. Este estado se asocia con el patrón de los vórtices ’horn’, definido por una topología característica que se encuentra en un rango de números de Reynolds muy amplio y en regímenes compresibles e incompresibles. Por otro lado, con el objeto de determinar las estructuras presentes en el flujo y sus frecuencias asociadas, se han usado distintas técnicas de análisis: Proper Orthogonal Decomposition (POD), Dynamic Mode Decomposition (DMD) y análisis de Fourier. Dichas técnicas se han aplicado sobre los datos experimentales y numéricos, demostrándose la buena concordancia entre ambos resultados. Finalmente, se ha encontrado en ambos casos, una frecuencia dominante asociada con una inestabilidad de los vórtices ’leeward’. ABSTRACT The hemisphere-cylinder may be considered as a simplified model for several geometries found in industrial applications such as aircrafts’ fuselages or submarines. Understanding the complex flow phenomena that surrounds this particular geometry is therefore of major industrial interest. This thesis presents an investigation of the origin and evolution of the complex flow pattern; i.e. separation bubbles, horn vortices and leeward vortices, around the hemisphere-cylinder under separated flow conditions. To this aim, threedimensional Direct Numerical Simulations (DNS) and experimental tests, using Particle Image Velocimetry (PIV) techniques, have been performed for a variety of Reynolds numbers (Re) and angles of attack (AoA). Critical point theory has been applied to the numerical simulations to provide, for the first time for this geometry, a bifurcation diagram that classifies the different flow topology regimes as a function of the Reynolds number and the angle of attack. A complete characterization about the origin and evolution of the complex structural patterns of this geometry has been put in evidence. Surface critical points and surface and volume streamlines were able to describe the main flow structures and their strong dependence with the flow conditions up to reach the structurally stable state. This state was associated with the pattern of the horn vortices, found on ranges from low to high Reynolds numbers and from incompressible to compressible regimes. In addition, different structural analysis techniques have been employed: Proper Orthogonal Decomposition (POD), Dynamic Mode Decomposition (DMD) and Fourier analysis. These techniques have been applied to the experimental and numerical data to extract flow structure information (i.e. modes and frequencies). Experimental and numerical modes are shown to be in good agreement. A dominant frequency associated with an instability of the leeward vortices has been identified in both, experimental and numerical results.

Collaborative Engineering: an Airbus case study

This document introduces the main concepts of Collaborative Engineering as a new methodology, procedures and tools to design and develop an aircraft, as Airbus Military is implementing. Airbus designs and industrializes aircrafts under Concurrent Engineering techniques since decades with success. The introduction of new PLM methodologies, procedures and tools, mainly in the industrialization areas, and the need to reduce time-to-market conducted Airbus Military to push the engineering teams to do things in a different way. Traditional Engineering works sequentially, Concurrent Engineering basically overlaps tasks between teams using maturity states and taking assuming risks. Collaborative Engineering promotes a single team to develop product, processes and resources from the conceptual phase to the start of the serial production. The deliverable of the team is an iDMU (industrial DMU), a complete definition and verification of the virtual manufacturing of the product.

Implementation of the iDMU for an Aerostructure Industrialization in AIRBUS

AIRBUS Military has undertaken a project to implement the industrial Digital Mock-Up (iDMU) concept to support the industrialization process of a medium size aerostructure. Within the framework of a collaborative engineering strategy, such project is part of the efforts to deploy Digital Manufacturing as a key technology for the industrialization of aircrafts assembly lines. The project has confirmed the potential of the iDMU to improve the industrial design process in a collaborative engineering environment. This communication presents the main project objectives, the key methodological points, the main project achievements and the next additional developments to increase the scope and benefits of the iDMU concept.

Interleaved multi-cell isolated three-phase PWM rectifier system for aircraft applications

Recently there has been an important increase in electric equipment, as well as, electric power demand in aircrafts applications. This prompts to the necessity of efficient, reliable, and low-weight converters, especially rectifiers from 115VAC to 270VDC because these voltages are used in power distribution. In order to obtain a high efficiency, in aircraft application where the derating in semiconductors is high, normally several semiconductors are used in parallel to decrease the conduction losses. However, this is in conflict with high reliability. To match both goals of high efficiency and reliability, this work proposes an interleaved multi-cell rectifier system, employing several converter cells in parallel instead of parallel-connected semiconductors. In this work a 10kW multi-cell isolated rectifier system has been designed where each cell is composed of a buck type rectifier and a full bridge DC-DC converter. The implemented system exhibits 91% of efficiency, high power density (10kW/10kg), low THD (2.5%), and n−1 fault tolerance which complies, with military aircraft standards.

Collaborative Engineering Paradigm Applied to the Aerospace Industry

Airbus designs and industrializes aircrafts using Concurrent Engineering techniques since decades. The introduction of new PLM methods, procedures and tools, and the need to reduce time-to-market, led Airbus Military to pursue new working methods. Traditional Engineering works sequentially. Concurrent Engineering basically overlaps tasks between teams. Collaborative Engineering promotes teamwork to develop product, processes and resources from the conceptual phase to the start of the serial production. The CALIPSO-neo pilot project was launched to support the industrialization process of a medium size aerostructure. The aim is to implement the industrial Digital Mock-Up (iDMU) concept and its exploitation to create shop floor documentation. In a framework of a collaborative engineering strategy, the project is part of the efforts to deploy Digital Manufacturing as a key technology for the industrialization of aircraft assembly lines. This paper presents the context, the conceptual approach and the methodology adopted.

Contributions to trajectory prediction theory and its application to arrival management for air traffic control

La gestión del tráfico aéreo (Air Traffic Management, ATM) está experimentando un cambio de paradigma hacia las denominadas operaciones basadas trayectoria. Bajo dicho paradigma se modifica el papel de los controladores de tráfico aéreo desde una operativa basada su intervención táctica continuada hacia una labor de supervisión a más largo plazo. Esto se apoya en la creciente confianza en las soluciones aportadas por las herramientas automatizadas de soporte a la decisión más modernas. Para dar soporte a este concepto, se precisa una importante inversión para el desarrollo, junto con la adquisición de nuevos equipos en tierra y embarcados, que permitan la sincronización precisa de la visión de la trayectoria, basada en el intercambio de información entre ambos actores. Durante los últimos 30 a 40 años las aerolíneas han generado uno de los menores retornos de la inversión de entre todas las industrias. Sin beneficios tangibles, la industria aérea tiene dificultades para atraer el capital requerido para su modernización, lo que retrasa la implantación de dichas mejoras. Esta tesis tiene como objetivo responder a la pregunta de si las capacidades actualmente instaladas en las aeronaves comerciales se pueden aplicar para lograr la sincronización de la trayectoria con el nivel de calidad requerido. Además, se analiza en ella si, conjuntamente con mejoras en las herramientas de predicción trayectorias instaladas en tierra en para facilitar la gestión de las arribadas, dichas capacidades permiten obtener los beneficios esperados en el marco de las operaciones basadas en trayectoria. Esto podría proporcionar un incentivo para futuras actualizaciones de la aviónica que podrían llevar a mejoras adicionales. El concepto operacional propuesto en esta tesis tiene como objetivo permitir que los aviones sean pilotados de una manera consistente con las técnicas actuales de vuelo optimizado. Se permite a las aeronaves que desciendan en el denominado “modo de ángulo de descenso gestionado” (path-managed mode), que es el preferido por la mayoría de las compañías aéreas, debido a que conlleva un reducido consumo de combustible. El problema de este modo es que en él no se controla de forma activa el tiempo de llegada al punto de interés. En nuestro concepto operacional, la incertidumbre temporal se gestiona en mediante de la medición del tiempo en puntos estratégicamente escogidos a lo largo de la trayectoria de la aeronave, y permitiendo la modificación por el control de tierra de la velocidad de la aeronave. Aunque la base del concepto es la gestión de las ordenes de velocidad que se proporcionan al piloto, para ser capaces de operar con los niveles de equipamiento típicos actualmente, dicho concepto también constituye un marco en el que la aviónica más avanzada (por ejemplo, que permita el control por el FMS del tiempo de llegada) puede integrarse de forma natural, una vez que esta tecnología este instalada. Además de gestionar la incertidumbre temporal a través de la medición en múltiples puntos, se intenta reducir dicha incertidumbre al mínimo mediante la mejora de las herramienta de predicción de la trayectoria en tierra. En esta tesis se presenta una novedosa descomposición del proceso de predicción de trayectorias en dos etapas. Dicha descomposición permite integrar adecuadamente los datos de la trayectoria de referencia calculada por el Flight Management System (FMS), disponibles usando Futuro Sistema de Navegación Aérea (FANS), en el sistema de predicción de trayectorias en tierra. FANS es un equipo presente en los aviones comerciales de fuselaje ancho actualmente en la producción, e incluso algunos aviones de fuselaje estrecho pueden tener instalada avionica FANS. Además de informar automáticamente de la posición de la aeronave, FANS permite proporcionar (parte de) la trayectoria de referencia en poder de los FMS, pero la explotación de esta capacidad para la mejora de la predicción de trayectorias no se ha estudiado en profundidad en el pasado. La predicción en dos etapas proporciona una solución adecuada al problema de sincronización de trayectorias aire-tierra dado que permite la sincronización de las dimensiones controladas por el sistema de guiado utilizando la información de la trayectoria de referencia proporcionada mediante FANS, y también facilita la mejora en la predicción de las dimensiones abiertas restantes usado un modelo del guiado que explota los modelos meteorológicos mejorados disponibles en tierra. Este proceso de predicción de la trayectoria de dos etapas se aplicó a una muestra de 438 vuelos reales que realizaron un descenso continuo (sin intervención del controlador) con destino Melbourne. Dichos vuelos son de aeronaves del modelo Boeing 737-800, si bien la metodología descrita es extrapolable a otros tipos de aeronave. El método propuesto de predicción de trayectorias permite una mejora en la desviación estándar del error de la estimación del tiempo de llegada al punto de interés, que es un 30% menor que la que obtiene el FMS. Dicha trayectoria prevista mejorada se puede utilizar para establecer la secuencia de arribadas y para la asignación de las franjas horarias para cada aterrizaje (slots). Sobre la base del slot asignado, se determina un perfil de velocidades que permita cumplir con dicho slot con un impacto mínimo en la eficiencia del vuelo. En la tesis se propone un nuevo algoritmo que determina las velocidades requeridas sin necesidad de un proceso iterativo de búsqueda sobre el sistema de predicción de trayectorias. El algoritmo se basa en una parametrización inteligente del proceso de predicción de la trayectoria, que permite relacionar el tiempo estimado de llegada con una función polinómica. Resolviendo dicho polinomio para el tiempo de llegada deseado, se obtiene de forma natural el perfil de velocidades optimo para cumplir con dicho tiempo de llegada sin comprometer la eficiencia. El diseño de los sistemas de gestión de arribadas propuesto en esta tesis aprovecha la aviónica y los sistemas de comunicación instalados de un modo mucho más eficiente, proporcionando valor añadido para la industria. Por tanto, la solución es compatible con la transición hacia los sistemas de aviónica avanzados que están desarrollándose actualmente. Los beneficios que se obtengan a lo largo de dicha transición son un incentivo para inversiones subsiguientes en la aviónica y en los sistemas de control de tráfico en tierra. ABSTRACT Air traffic management (ATM) is undergoing a paradigm shift towards trajectory based operations where the role of an air traffic controller evolves from that of continuous intervention towards supervision, as decision making is improved based on increased confidence in the solutions provided by advanced automation. To support this concept, significant investment for the development and acquisition of new equipment is required on the ground as well as in the air, to facilitate the high degree of trajectory synchronisation and information exchange required. Over the past 30-40 years the airline industry has generated one of the lowest returns on invested capital among all industries. Without tangible benefits realised, the airline industry may find it difficult to attract the required investment capital and delay acquiring equipment needed to realise the concept of trajectory based operations. In response to these challenges facing the modernisation of ATM, this thesis aims to answer the question whether existing aircraft capabilities can be applied to achieve sufficient trajectory synchronisation and improvements to ground-based trajectory prediction in support of the arrival management process, to realise some of the benefits envisioned under trajectory based operations, and to provide an incentive for further avionics upgrades. The proposed operational concept aims to permit aircraft to operate in a manner consistent with current optimal aircraft operating techniques. It allows aircraft to descend in the fuel efficient path managed mode as preferred by a majority of airlines, with arrival time not actively controlled by the airborne automation. The temporal uncertainty is managed through metering at strategically chosen points along the aircraft’s trajectory with primary use of speed advisories. While the focus is on speed advisories to support all aircraft and different levels of equipage, the concept also constitutes a framework in which advanced avionics as airborne time-of-arrival control can be integrated once this technology is widely available. In addition to managing temporal uncertainty through metering at multiple points, this temporal uncertainty is minimised by improving the supporting trajectory prediction capability. A novel two-stage trajectory prediction process is presented to adequately integrate aircraft trajectory data available through Future Air Navigation Systems (FANS) into the ground-based trajectory predictor. FANS is standard equipment on any wide-body aircraft in production today, and some single-aisle aircraft are easily capable of being fitted with FANS. In addition to automatic position reporting, FANS provides the ability to provide (part of) the reference trajectory held by the aircraft’s Flight Management System (FMS), but this capability has yet been widely overlooked. The two-stage process provides a ‘best of both world’s’ solution to the air-ground synchronisation problem by synchronising with the FMS reference trajectory those dimensions controlled by the guidance mode, and improving on the prediction of the remaining open dimensions by exploiting the high resolution meteorological forecast available to a ground-based system. The two-stage trajectory prediction process was applied to a sample of 438 FANS-equipped Boeing 737-800 flights into Melbourne conducting a continuous descent free from ATC intervention, and can be extrapolated to other types of aircraft. Trajectories predicted through the two-stage approach provided estimated time of arrivals with a 30% reduction in standard deviation of the error compared to estimated time of arrival calculated by the FMS. This improved predicted trajectory can subsequently be used to set the sequence and allocate landing slots. Based on the allocated landing slot, the proposed system calculates a speed schedule for the aircraft to meet this landing slot at minimal flight efficiency impact. A novel algorithm is presented that determines this speed schedule without requiring an iterative process in which multiple calls to a trajectory predictor need to be made. The algorithm is based on parameterisation of the trajectory prediction process, allowing the estimate time of arrival to be represented by a polynomial function of the speed schedule, providing an analytical solution to the speed schedule required to meet a set arrival time. The arrival management solution proposed in this thesis leverages the use of existing avionics and communications systems resulting in new value for industry for current investment. The solution therefore supports a transition concept from mixed equipage towards advanced avionics currently under development. Benefits realised under this transition may provide an incentive for ongoing investment in avionics.

Localización y seguimiento de aeronaves mediante sistemas de multilateración de área extensa

El continuo crecimiento de la demanda del transporte aéreo, junto con los nuevos escenarios de intervención militar, están obligando a una optimización en el uso del espacio aéreo. De este modo, la UE y los EEUU (a través de SESAR y NextGen respectivamente) han asentado las bases para una nueva gestión del tráfico aéreo (ATM). Con ello, se pretende aumentar la capacidad de aeropuertos y rutas aéreas, otorgando mayor flexibilidad al uso del espacio aéreo sin comprometer la seguridad de los usuarios. Desde un punto de vista puramente técnico, la clave de este cambio de modelo está en el conocimiento de la posición de cada aeronave en cada instante. En este sentido, la tendencia en ATM es el uso de ADS-B como fuente principal de posicionamiento. Sin embargo, debido a que este sistema está basado en la difusión de la posición obtenida a través de GPS, es necesario un sistema de seguimiento independiente. Actualmente, la intención es migrar del radar secundario de vigilancia (SSR) a la multilateración de área extensa (WAM), con el fin de mejorar la integridad de la posición para aplicaciones en ruta. Aprovechando el rápido despliegue de ADS-B, se pretende reutilizar sus estaciones base para WAM. Cada estación base que recibe el mensaje ADS-B de la aeronave envía conjuntamente la medida del tiempo de llegada (TOA) de dicho mensaje al centro de tráfico aéreo. La posición de la aeronave se obtiene mediante multilateración, cuya técnica consiste en utilizar las medidas de TOA de un mismo mensaje ADS-B obtenidas en las distintas estaciones base. El objetivo es estimar la posición de cada aeronave con la mayor precisión posible. Para poder diseñar el sistema que permite alcanzar este objetivo, son dos los aspectos básicos a estudiar. Por una parte, la identificación y posterior caracterización de los errores (tanto sistemáticos como aleatorios) que afectan a la medida de TOA. Por otra parte, es necesario el estudio de los sistemas de seguimiento, basados en versiones sofisticadas del filtro de Kalman (IMM, UKF). Una vez establecidos estos dos pilares, la presente tesis doctoral propone un sistema que permite efectuar el seguimiento de las aeronaves, corrigiendo los efectos de las principales distorsiones que afectan a la medida de TOA: la refracción troposférica y el error de sincronismo. La mejora en la precisión de la localización ha sido evaluada mediante simulación de escenarios hipotéticos. ABSTRACT The ever-growing demand in the air transportation and the new military intervention scenarios, are generating a need to optimize the use of the airspace. This way, the EU and the USA (through SESAR and NextGen respectively) have set the ground to overhaul the current air traffic management. The intention is to enhance the capacity of airports and air routes, providing greater flexibility in the use of airspace without jeopardizing the security of the end-users. From a technical perspective, the key for this change lies in the knowledge of the aircraft position. The trend in Air Traffic Management (ATM) is to rely on ADS-B as the main source for aircraft positioning. However, this system is based on the aircraft’s self-declaration of its own (often GPS-based) navigation solution. It is therefore necessary to have an independent surveillance system. Nowadays, the intention is to gradually migrate from Secondary Surveillance Radar (SSR) towards Wide Area Multilateration (WAM) in order to enhance surveillance integrity for en-route applications. Given the fast deployment of ADS-B, the aim is to use its base stations for WAM. Each station sends the Time of Arrival (TOA) of the received ADS-B messages to the air traffic center (ATC). The aircraft position is obtained through multilateration, using the TOA of the same message measured by each station. The aim is to accurately estimate the position of each aircraft. Knowledge from two key areas has to be gathered prior to designing such a system. It is necessary to identify and then characterize the errors (both systematic and random) affecting the TOA measurements. The second element is the study of tracking systems based on sophisticated versions of the Kalman filtering (e.g. IMM, UKF). Based on this knowledge, the main contribution of this Ph.D. is an aircraft tracking system that corrects the effects of the main errors involved in the TOA measurement: tropospheric refraction and synchronization issues. Performance gains in positioning accuracy have been assessed by simulating hypothetical WAM scenarios.

Evaluación de ruido ambiental en las zonas de uso residencial ubicadas en la zona de influencia de la Avenida San Pablo (Barrio de la Estación, Coslada)

El presente documento analiza y evalúa el ruido ambiental existente en las zonas de uso residencial ubicadas en el Barrio de “La Estación”, en el entorno de la Avenida San Pablo, pertenecientes al municipio de Coslada (Madrid). La zona que contempla el proyecto es muy completa, ya que en ella están presentes diferentes tipos de ruido medioambiental (tráfico ferroviario, tráfico rodado, tráfico aeroportuario, ruido industrial de instalaciones, ruido de actividades, etc), donde las fuentes de ruido pueden manifestarse aisladas o en diversas combinaciones. Para evaluar el ruido total existente, se analiza por un lado el ruido residual de la zona de estudio, y por otro el ruido específico e intermitente asociado a sucesos aislados, como son el ruido de aviones y el ruido de trenes, donde se estudia individualmente la existencia de componentes de tonalidad, baja frecuencia e impulsividad. Una vez obtenidos los niveles de ruido total y ruido residual en la zona objeto de estudio, el índice Nivel de presión sonora promedio LPm de las muestras analizadas, estima correctamente los niveles obtenidos en el muestreo de larga duración. En las medidas realizadas se detecta la existencia de componentes de tonalidad y baja frecuencia en los pasos de aviones y trenes registrados. Se calculan los niveles sonoros existentes en la zona de estudio. Para ello se realiza una evaluación de los índices de ruido Ld, para el periodo día, y Le, para el periodo tarde, utilizando como herramienta de cálculo el programa IMMI 6.3.1e. Se realiza la validación del mapa de niveles sonoros obtenido con el IMMI 6.3.1e. Para ello se hace una comparación entre los niveles calculados con el modelo, y los niveles medidos “in situ” en los puntos de muestreo. Por último se obtiene la incertidumbre en cada una de las medidas ejecutadas en una segunda campaña “in situ”, correspondientes a niveles de presión sonora continuos equivalentes ponderado A (LAeq,5min), teniendo en cuenta las posibles desviaciones ocasionadas por el equipo de medida, condiciones meteorológicas, procedimiento de realización del ensayo, etc. ABSTRACT. The present document analyzes and evaluates the environmental noise in the residential areas located at “La Estación” district, near the San Pablo Avenue, in the Coslada municipality (Madrid). The area considered in this project is very complete, once it covers different types of environmental noise (railway traffic, vehicular traffic, airport traffic, industrial noise of building systems, activities noise, etc), where noise sources may appear isolated or under several combinations. In order to evaluate the existing total noise, on one hand it is analyzed the residual noise in the study area, and on the other hand it is analyzed the specific and intermittent noise associated to isolated occurrences, such as the noise of the aircrafts and the noise of the trains, where the existence of components of tonality, low frequency and impulsiveness is studied individually. After obtaining the levels of total noise and residual noise in the target study area, the sound pressure level average index (LPm) of the analyzed samples estimates correctly the levels obtained in the sampling of long duration. On what concerns the measures carried out, it is detected the existence of components of tonality and low frequency in the registered aircrafts and trains passage. The sound levels of the study area are calculated. For that it is made a valuation of the Ld noise ratio, concerning the day period, and Le, concerning the afternoon period. The calculation tool used is the IMMI 6.3.1e programme. The validation of the map of sound levels obtained with the IMMI 6.3.1e is made. In order to get this validation, it is made a comparison between the levels calculated with the model and the levels measured “in situ” in the sampling points. Finally the uncertainty is obtained in each one of the measurements made in a second sampling “in situ”, correspondent to equivalent A-weighted continuous sound pressure level (LAeq,5 min), having in mind the possible deviations caused by the equipment of measure, meteorological conditions, essay’s execution procedures, etc.