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.

Aspetti della certificazione di un sistema a pilotaggio remoto (SAPR) ad ala fissa

La rapida diffusione di Sistemi Aerei a Pilotaggio Remoto che si è verificata negli ultimi anni ha portato alla necessità di regolamentare ed armonizzare il loro utilizzo. I vari enti regolatori nazionali hanno dovuto trovare una soluzione a fronte di una serie di incidenti che hanno portato alla luce le lacune normative ed organizzative che ancora esistevano in materia. In Italia, in particolare, l’Ente Nazionale Aviazione Civile (ENAC) ha introdotto da fine 2013 un regolamento, più volte aggiornato e in parte ancora in fase di definizione, che impone delle rigide norme agli operatori dei mezzi a pilotaggio remoto. La presente attività riporta quindi lo sviluppo di un processo di certificazione di un Sistema Aereo a Pilotaggio Remoto ad ala fissa con peso massimo al decollo superiore a 25 kg, che si possa adattare alle più recenti norme presenti nel regolamento. Si presenta quindi lo sviluppo del Manuale di volo e del documento di Valutazione del rischio del mezzo, seguiti dallo studio del programma di attività sperimentale necessario per la certificazione. Infine, nella parte finale dell’elaborato si presentano dei test di volo effettuati seguendo il piano di sperimentazione strutturato e atti a dimostrare l’efficacia di tale pianificazione. Tali voli sono stati condotti infatti con un velivolo con caratteristiche similari a quelle del mezzo oggetto di studio, ma avente dimensioni e peso minori.

Progetto e sviluppo di un automa per la gestione ed il controllo di sistemi a pilotaggio remoto

L’attenzione di questa tesi si pone sulla progettazione e lo sviluppo di un automa per il controllo di sistemi a pilotaggio remoto. Punto di partenza dell'intero progetto è stata l'analisi del quadrirotore programmato ed utilizzato dai ricercatori del progetto SHERPA. Le funzionalità evidenziate dall'analisi sono state poi elaborate secondo l'approccio con Attuatore Generalizzato ed implementate in Codesys. Questo software si compone di una parte di controllo, una di simulazione ed una o più interfacce grafiche dedicate all'interazione con l'utente. L'utilizzo di Codesys ha permesso di implementare un automa modulare e riusabile, base di partenza per i futuri progetti di automi aerei. L'automa realizzato consente infine di simulare il comportamento di un generico sistema a pilotaggio remoto e di osservarne la sequenza logica con cui le azioni vengono eseguite.

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.

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.

Progetto preliminare di un UAV multi-modale

Studio, a livello preliminare, di un sistema a pilotaggio remoto che permetta la sorveglianza e il monitoraggio di zone aeree e marine ad alto rischio e in contemporanea di compiere una raccolta di dati che possa essere inviata in tempo reale ad un utente a terra. Negli ultimi anni si è sviluppato notevolmente il settore dei velivoli a pilotaggio remoto sia ad ala fissa sia ad ala rotante, per la videoripresa e la fotografia aerea a bassa quota, che è utilizzata in molti ambiti tra i quali la fotogrammetria, la geologia e l’archeologia, nonché per studi scientifici e per la sicurezza. Nel presente lavoro di tesi è stata studiata la fattibilità di un UAV capace di effettuare la sua missione, previa pianificazione, in due ambienti completamente diversi fra loro: l’aria e l’acqua. Così facendo si ha la possibilità di acquistare un solo mezzo con costi minori e con un profilo di missione molto più vasto. Lo sviluppo di questo drone, pensato per operazioni di protezione civile, si è articolato in più fasi: anzitutto si è cercato di stabilire quale fosse il suo ambito di utilizzo e quali caratteristiche avrebbe dovuto avere. Successivamente si è iniziato a valutare l’equipaggiamento del velivolo con tutti i sistemi necessari per compiere la sua attività ed infine si è realizzato un disegno CAD semplificato della sua struttura. La seconda parte del lavoro è stata incentrata sullo studio preliminare della stabilità del velivolo sia in configurazione aerea sia in quella marina andando dapprima a calcolare la posizione del baricentro dell’UAV in modo da avere un velivolo aereo staticamente stabile e a simularne il volo. Successivamente si è modificato un modello Simulink di un UAV disponibile in rete, adattandolo opportunamente a questo caso per simulare parte della missione e si è potuto constatare che il velivolo risulta essere stabile; per far questo sono state calcolate diverse derivate aerodinamiche in modo da poter simulare il comportamento dinamico del velivolo. Anche per la configurazione marina sono state calcolate le derivate aerodinamiche più significative ed è stata realizzata una simulazione per valutare la stabilità del ROV, sempre a comandi fissi. In ultima analisi si è studiata una missione tipica che potrebbe effettuare questo UAV multi-modale: per fare ciò si è tracciata in Google Earth una traiettoria cui sono stati aggiunti alcuni modelli CAD nelle fasi principali del volo per far capire come varia la forma del mezzo durante la missione. Lo scenario della missione è in un contesto di disastro ambientale dovuto ad un incidente in una centrale nucleare vicina al mare, caso che ben si presta alla applicazione di questo mezzo a pilotaggio remoto.

Sviluppo e ottimizzazione di un velivolo senza pilota

L’obiettivo di questo trattato è lo studio di un aeromobile militare a pilotaggio remoto (APR), volto ad una sua conversione per usi prettamente civili: il velivolo in questione è il Predator Canard-Long. Tale studio è basato sulle problematiche dovute alla sostituzione del propulsore originale Rotax 914 (4 cilindri da 115 CV del peso di 95 kg) con un Peugeot HDi Fap (4 cilindri da 175 CV del peso di 240 kg). L’aeromobile in questione dovrà svolgere compiti di monitoraggio e sorveglianza di siti archeologici, dunque si richiederà un alto livello di autonomia affinché le missioni vengano svolte nel modo più efficiente possibile. Preso un modello pre-esitente, costruito al CAD tramite il software Solidworks2016, è stato studiato il comportamento del velivolo tramite simulazioni CFD. Data l’insufficienza della portanza a causa dell’aggiunta di peso dovuta alla rimotorizzazione, sono state provate diverse soluzioni atte a colmare lo scompenso. Scelta come soluzione migliore l’installazione di alette canard e la modifica del profilo aerodinamico, è stato infine necessario verificare che la risposta ai comandi dell’aeromobile modificato soddisfacesse le richieste desiderate.

Architetture, tecnologie ed applicazioni dei droni

Le tematiche presentate in questa tesi fanno parte di una disciplina in ampio sviluppo nella ricerca scientifica moderna denominata “Dronistica”. I droni possiedono caratteristiche fisiche differenti in base alle esigenze dettate dall'ambito di utilizzo. La dronistica è infatti una disciplina molto varia e completa grazie alla versatilità dei dispositivi utilizzati, principalmente però tratta aeromobili a pilotaggio remoto e la loro applicazione nella computer vision. Nonostante il ricco hardware ed i molteplici software attualmente a disposizione dei ricercatori, questo settore è attualmente nelle prime fasi di vita; le prospettive di miglioramento e di sviluppo infatti sono ampie ed in mano a chi si occuperà di effettuare operazioni di ricerca e sperimentazione in tale campo. Nel seguente lavoro viene presentata la dronistica sotto ogni suo aspetto fondamentale, ponendo particolare attenzione ai dettagli tecnici ed alle applicazioni presenti e future. Il lavoro svolto inizia descrivendo la storia dei droni, presentando una panoramica sui modelli, le normative attualmente in vigore ed una classificazione delle applicazioni. La parte centrale della tesi tratta invece gli aspetti tecnici della dronistica, descrivendo le tecnologie hardware e le tecnologie software attualmente disponibili sul mercato. L'ultima parte descrive invece il legame tra i droni e la computer vision, il loro interfacciamento, le applicazioni ed i vantaggi di tale combinazione, mostrando inoltre casi di studio di diverse facoltà tra cui quella di Ingegneria e Scienze Informatiche di Cesena. Infine termina con una conclusione riguardante il lavoro svolto ed una prospettiva sugli sviluppi futuri.

Pianificazione di coperture fotogrammetriche mediante RPAS

Il seguente elaborato di tesi tratta il problema della pianificazione di voli fotogrammetrici a bassa quota mediante l’uso di SAPR, in particolare è presentata una disamina delle principali applicazioni che permettono di programmare una copertura fotogrammetrica trasversale e longitudinale di un certo poligono con un drone commerciale. Il tema principale sviluppato è la gestione di un volo fotogrammetrico UAV mediante l’uso di applicativi software che permettono all’utente di inserire i parametri di volo in base alla tipologia di rilievo che vuole effettuare. L’obbiettivo finale è quello di ottenere una corretta presa fotogrammetrica da utilizzare per la creazione di un modello digitale del terreno o di un oggetto attraverso elaborazione dati in post-processing. La perfetta configurazione del volo non può prescindere dalle conoscenze base di fotogrammetria e delle meccaniche di un veicolo UAV. I capitoli introduttivi tratteranno infatti i principi della fotogrammetria analogica e digitale soffermandosi su temi utili alla comprensione delle problematiche relative al progetto di rilievo fotogrammetrico aereo. Una particolare attenzione è stata posta sulle nozioni di fotogrammetria digitale che, insieme agli algoritmi di Imagine Matching derivanti dalla Computer Vision, permette di definire il ramo della Fotogrammetria Moderna. Nei capitoli centrali verranno esaminate e confrontate una serie di applicazioni commerciali per smartphone e tablet, disponibili per sistemi Apple e Android, per trarne un breve resoconto conclusivo che le compari in termini di accessibilità, potenzialità e destinazione d’uso. Per una maggiore comprensione si determinano univocamente gli acronimi con cui i droni vengono chiamati nei diversi contesti: UAV (Unmanned Aerial Vehicle), SAPR (Sistemi Aeromobili a Pilotaggio Remoto), RPAS (Remotely Piloted Aicraft System), ARP (Aeromobili a Pilotaggio Remoto).

Adaptive robust control of 6-DOF autonomous aerial vehicles

The thesis focused on development of an auto-pilot system for UAV’s and small fixed wing aircraft for use in hazardous flight conditions, such as severe weather. This led to development of a mathematical algorithm that unbinds the flight systems from coupling effects which can adaptively changed to the environment.

Sistema di terminazione forzata del volo per APR

Questo elaborato presenta le fasi di progettazione e realizzazione di un sistema di terminazione forzata del volo per Aeromobili a Pilotaggio Remoto. Tale sistema ha lo scopo di evitare il potenziale impatto di un APR con cose e persone in caso di perdita di controllo dello stesso, provocandone la caduta all'interno di un’area sicura. Questo dispositivo è ormai indispensabile per l’utilizzo degli APR in ambito professionale e sperimentale in quanto previsto dalla normativa vigente, e dato il crescente sviluppo del settore sarà sempre più richiesto. Dopo una breve rassegna dei sistemi di terminazione attualmente presenti sul mercato viene illustrata la linea di progetto seguita, e successivamente vengono descritti i componenti principali utilizzati per la realizzazione. Sono quindi presentati i vari prototipi ideati fino ad arrivare al modello definitivo, che è stato costruito e poi testato sia al banco prova sia nell'effettivo utilizzo in volo.

A wind tunnel two-dimensional parametric investigation of biplane configurations

This paper presents an experimental and systematic investigation about how geometric parameters on a biplane configuration have an influence on aerodynamic parameters. This experimental investigation has been developed in a two-dimensional approach. Theoretical studies about biplanes configurations have been developed in the past, but there is not enough information about experimental wind tunnel data at low Reynolds number. This two-dimensional study is a first step to further tridimensional investigations about the box wing configuration. The main objective of the study is to find the relationships between the geometrical parameters which present the best aerodynamic behavior: the highest lift, the lowest drag and the lowest slope of the pitching moment. A tridimensional wing-box model will be designed following the pattern of the two dimensional study conclusions. It will respond to the geometrical relationships that have been considered to show the better aerodynamic behavior. This box-wing model will be studied in the aim of comparing the advantages and disadvantages between this biplane configuration and the plane configuration, looking for implementing the box-wing in the UAV?s field. Although the box wing configuration has been used in a small number of existing UAV, prestigious researchers have found it as a field of high aerodynamic and structural potential.

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.

Multi-objective design optimization of morphing UAV aerofoil/wing using hybridised MOGA

The paper investigates two advanced Computational Intelligence Systems (CIS) for a morphing Unmanned Aerial Vehicle (UAV) aerofoil/wing shape design optimisation. The first CIS uses Genetic Algorithm (GA) and the second CIS uses Hybridized GA (HGA) with the concept of Nash-Equilibrium to speed up the optimisation process. During the optimisation, Nash-Game will act as a pre-conditioner. Both CISs; GA and HGA, are based on Pareto optimality and they are coupled to Euler based Computational Fluid Dynamic (CFD) analyser and one type of Computer Aided Design (CAD) system during the optimisation.