Inspeção e monitorização de estruturas em engenharia civil: utilização de UAV na inspeção e monitorização

Nesta tese são abordadas as tipologias e metodologias de monitorização e observação de infraestruturas em engenharia civil, nomeadamente através de aplicação de vários métodos de medição, de ensaios e também com implementação de sensores. Esta tese pretende abordar de uma forma mais concreta a utilização de plataformas UAV (Unmanned Aerial Vehicle) que apresentam vantagens consideráveis para ser utilizado na monitorização de infraestruturas devido à rapidez de aquisição de dados, mobilidade, segurança e ao baixo custo de aquisição e exploração. A monitorização com UAV consiste no aproveitamento de uma plataforma que pode transportar variadíssimos equipamentos para registo de dados, como câmaras e sensores de várias ordens, de uma forma rápida, económica e segura. Os UAV’s possibilitam o tratamento rápido da informação por eles recolhida, em tempo real ou em pós-processamento. Os dados recolhidos, dependendo do tipo de infraestruturas e objetivos, podem ser analisados com diversas aplicações que tratam os dados de acordo com as necessidades, tais como, modelação em 3D, modelos de elevação, cálculo de áreas, termografia, fotogrametria, etc. Nesta tese são apresentados alguns casos práticos onde se evidencia a vantagem da utilização do UAV na monitorização de infraestruturas, onde se verifica a rapidez, eficiência e qualidade na recolha de informação com o reduzido custo de exploração.

Progetto e realizzazione del sistema di gestione autonoma del volo e controllo in remoto per un velivolo UAV ad ala rotante

This PhD thesis presents the results, achieved at the Aerospace Engineering Department Laboratories of the University of Bologna, concerning the development of a small scale Rotary wing UAVs (RUAVs). In the first part of the work, a mission simulation environment for rotary wing UAVs was developed, as main outcome of the University of Bologna partnership in the CAPECON program (an EU funded research program aimed at studying the UAVs civil applications and economic effectiveness of the potential configuration solutions). The results achieved in cooperation with DLR (German Aerospace Centre) and with an helicopter industrial partners will be described. In the second part of the work, the set-up of a real small scale rotary wing platform was performed. The work was carried out following a series of subsequent logical steps from hardware selection and set-up to final autonomous flight tests. This thesis will focus mainly on the RUAV avionics package set-up, on the onboard software development and final experimental tests. The setup of the electronic package allowed recording of helicopter responses to pilot commands and provided deep insight into the small scale rotorcraft dynamics, facilitating the development of helicopter models and control systems in a Hardware In the Loop (HIL) simulator. A neested PI velocity controller1 was implemented on the onboard computer and autonomous flight tests were performed. Comparison between HIL simulation and experimental results showed good agreement.

Simulatore di interfaccia uomo-macchina per i controllo di UAV

Recent statistics have demonstrated that two of the most important causes of failures of the UAVs (Uninhabited Aerial Vehicle) missions are related to the low level of decisional autonomy of vehicles and to the man machine interface. Therefore, a relevant issue is to design a display/controls architecture which allows the efficient interaction between the operator and the remote vehicle and to develop a level of automation which allows the vehicle the decision about change in mission. The research presented in this paper focuses on a modular man-machine interface simulator for the UAV control, which simulates UAV missions, developed to experiment solution to this problem. The main components of the simulator are an advanced interface and a block defined automation, which comprehend an algorithm that implements the level of automation of the system. The simulator has been designed and developed following a user-centred design approach in order to take into account the operator’s needs in the communication with the vehicle. The level of automation has been developed following the supervisory control theory which says that the human became a supervisor who sends high level commands, such as part of mission, target, constraints, in then-rule, while the vehicle receives, comprehends and translates such commands into detailed action such as routes or action on the control system. In order to allow the vehicle to calculate and recalculate the safe and efficient route, in term of distance, time and fuel a 3D planning algorithm has been developed. It is based on considering UASs representative of real world systems as objects moving in a virtual environment (terrain, obstacles, and no fly zones) which replicates the airspace. Original obstacle avoidance strategies have been conceived in order to generate mission planes which are consistent with flight rules and with the vehicle performance constraints. The interface is based on a touch screen, used to send high level commands to the vehicle, and a 3D Virtual Display which provides a stereoscopic and augmented visualization of the complex scenario in which the vehicle operates. Furthermore, it is provided with an audio feedback message generator. Simulation tests have been conducted with pilot trainers to evaluate the reliability of the algorithm and the effectiveness and efficiency of the interface in supporting the operator in the supervision of an UAV mission. Results have revealed that the planning algorithm calculate very efficient routes in few seconds, an adequate level of workload is required to command the vehicle and that the 3D based interface provides the operator with a good sense of presence and enhances his awareness of the mission scenario and of the vehicle under his control.

New target tracking and monitoring guidance laws for UAV

A pursuer UAV tracking and loitering around a target is the problem analyzed in this thesis. The UAV is assumed to be a fixed-wing vehicle and constant airspeed together with bounded lateral accelerations are the main constraints of the problem. Three different guidance laws are designed for ensuring a continuos overfly on the target. Different proofs are presented to demonstrate the stability properties of the laws. All the algorithms are tested on a 6DoF Pioneer software simulator. Classic control design methods have been adopted to develop autopilots for implementig the simulation platform used for testing the guidance laws.

Stima dell'assetto di un UAV

Lo scopo del lavoro è simulare il comportamento di un sistema di misura dell'assetto detto ARS (Attitude Reference System), dove sostanzialmente le misure fornite da giroscopi ed accelerometri, quindi accelerazioni e velocità angolari, vengono elaborate da un filtro osservatore dello stato che permette di ricavare la stima dell'angolo di elevazione Q e dell'angolo di inclinazione f, non misurabili direttamente, e quindi dell'orientamento del sistema rispetto al piano orizzontale.

Studio e implementazione di un autopilota su un UAV ad ala fissa

Si riporta inizialmente un’analisi tecnica dell’autopilota Ardupilot, utilizzato con il firmware Arduplane, che predispone la scheda all’utilizzo specifico su velivoli senza pilota ad ala fissa. La parte sostanziale della tesi riguarda invece lo studio delle leggi di controllo implementate su Arduplane e la loro modellazione, assieme ad altre parti del codice, in ambiente Matlab Simulink. Il sistema di controllo creato, chiamato Attitude Flight System, viene verificato con la tecnica del Software In the Loop in un simulatore di volo virtuale modellato anch’esso in Simulink, si utilizza la dinamica di un velivolo UAV di prova e il software FlightGear per l’ambiente grafico. Di fondamentale importanza è la verifica della compatibilità fra il firmware originale e il codice generato a partire dai modelli Simulink, verifica effettuata mediante test di tipo Hardware in the Loop. L’ultima parte della tesi descrive le prove di volo svolte per verificare le prestazioni della scheda su un aeromodello trainer.

Structural analysis of a UAV wing through image processing and FEM

Analisi strutturale dell’ala di un UAV (velivolo senza pilota a bordo), sviluppata usando varie metodologie: misurazioni sperimentali statiche e dinamiche, e simulazioni numeriche con l’utilizzo di programmi agli elementi finiti. L’analisi statica è stata a sua volta portata avanti seguendo due differenti metodi: la classica e diretta determinazione degli spostamenti mediante l’utilizzo di un catetometro e un metodo visivo, basato sull’elaborazione di immagini e sviluppato appositamente a tale scopo in ambiente Matlab. Oltre a ciò è stata svolta anche una analisi FEM volta a valutare l’errore che si ottiene affrontando il problema con uno studio numerico. Su tale modello FEM è stata svolta anche una analisi di tipo dinamico con lo scopo di confrontare tali dati con i dati derivanti da un test dinamico sperimentale per ottenere informazioni utili per una seguente possibile analisi aeroelastica.

Dimensionamento preliminare di un UAV e progettazione di un sistema di folding wing

L'elaborato descrive la metodologia utilizzata per il dimensionamento preliminare di un velivolo a pilotaggio remoto caratterizzato da un sistema propulsivo costituito da due motori a benzina. Successivamente viene trattata la progettazione concettuale di metodi per la riduzione degli ingombri dovuti all'ala quando il velivolo è al suolo.

Riconoscimento preliminare della forma di velivoli con tecniche di elaborazione delle immagini per applicazione a sistemi UAV

Uno dei problemi che ostacola la diffusione in ambito civile degli aerei senza pilota a bordo (UAV) è la gestione della sicurezza in volo. Gli UAV civili, infatti, popolando una regione di spazio aereo molto affollata e devono interagire con una moltitudine di altri mezzi aerei. Per questo motivo, risulta particolarmente critica l'implementazione di logiche di tipo Sense and Avoid, attraverso le quali un UAV deve essere in grado di "vedere" altri mezzi in rotta di collisione ed elaborare le azioni utili ad evitare l'impatto, decidendo se attuare una manovra autonoma di avoiding oppure delegarla al mezzo incontrato. Questa tesi descrive un primo approccio al problema del riconoscimento (Sense) dei mezzi aerei che un generico velivolo UAV può incontrare durante la normale condotta del volo. In particolare, si descrivono le strategie impiegate e gli ambienti software utilizzati per testare alcune procedure di riconoscimento delle immagini applicabili alla fase di detection dell'intruder, situazione tipica del caso di studio. I risultati sperimentali ottenuti dalla progettazione e dallo sviluppo di un apposito software, consistono nell'implementazione e successiva valutazione di diverse tecniche, individuando le criticità del problema.

Design di un sistema di fault detection per un'architettura fail-safe di attuazione delle superfici di controllo di un UAV

In questo lavoro di tesi si affronta una delle problematiche che si presentano oggi nell'impiego degli APR (Aeromobili a Pilotaggio Remoto): la gestione della safety. Non si può più, in altri termini, negare che tali oggetti siano parte integrante dello spazio aereo civile. Proprio su questo tema recentemente gli enti regolatori dello spazio aereo stanno proiettando i loro sforzi al fine di stabilire una serie di regolamenti che disciplinino da una parte le modalità con cui questi oggetti si interfacciano con le altre categorie di velivoli e dall'altra i criteri di idoneità perché anche essi possano operare nello spazio aereo in maniera sicura. Si rende quindi necessario, in tal senso, dotare essi stessi di un sufficiente grado di sicurezza che permetta di evitare eventi disastrosi nel momento in cui si presenta un guasto nel sistema; è questa la definizione di un sistema fail-safe. Lo studio e lo sviluppo di questa tipologia di sistemi può aiutare il costruttore a superare la barriera oggi rappresentata dal regolamento che spesso e volentieri rappresenta l'unico ostacolo non fisico per la categoria dei velivoli unmanned tra la terra e il cielo. D'altro canto, al fine di garantire a chi opera a distanza su questi oggetti di avere, per tutta la durata della missione, la chiara percezione dello stato di funzionamento attuale del sistema e di come esso può (o potrebbe) interagire con l'ambiente che lo circonda (situational awarness), è necessario dotare il velivolo di apparecchiature che permettano di poter rilevare, all'occorrenza, il malfunzionamento: è questo il caso dei sistemi di fault detection. Questi due fondamentali aspetti sono la base fondante del presente lavoro che verte sul design di un ridotto ma preponderante sottosistema dell'UAV: il sistema di attuazione delle superfici di controllo. Esse sono, infatti, l'unico mezzo disponibile all'operatore per governare il mezzo nelle normali condizioni di funzionamento ma anche l'ultima possibilità per tentare di evitare l'evento disastroso nel caso altri sottosistemi siano chiaramente fuori dalle condizioni di normale funzionamento dell'oggetto.

Modellistica e determinazione della dinamica di un quadrotor UAV per fini di controllo

Nella tesi vengono proposte una modellazione di un quadrotor affetto da un campo vettoriale incognito aerodinamico e la sua identificazione basata su non linear geometric approach e su reti neurali a funzione di base radiale (RBF). Il non linear geometric approach viene utilizzato per il disaccoppiamento delle componenti incognite aerodinamiche mentre le modellazione RBF dei coefficienti permette di applicare un algoritmo ai minimi quadrati per l'identificazione del sistema. Infine viene implementato un simulatore in ambiente MATLAB Simulink per la validazione della metodologia. Le simulazioni effettuate dimostrano la bontà del metodo proposto.

Controllo robusto di un UAV con modello interno del riferimento

Progetto di un controllore basato sulla teoria del modello interno per fare inseguire traiettorie circolari ad un quadrirotore