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Principali attività di ricerca in corso e possibili sviluppi Guido Colasurdo, Nicola De Divitiis, Guido De Matteis ING-IND/03 Incontro promozione attività di ricerca DIMA Roma, 27 febbraio 2017

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Principali attività di ricerca in corso e possibili sviluppi

Guido Colasurdo, Nicola De Divitiis, Guido De MatteisING-IND/03

Incontro promozione attività di ricerca DIMARoma, 27 febbraio 2017

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Attività principale G. Colasurdo con A. Zavoli

Studioedimpiegoditecnichediottimizzazione

• Metodiindiretti,basatisullateoriadelcontrolloottimaleesullasoluzionenumericadiunboundary value problem

• Algoritmibasatisullageneticaosull’intelligenzadeglisciami,adattiaproblemidoveèestremamenteampiolospaziodellesoluzioni

• Metodidirettiperl’ottimizzazionediproblemimoltocomplessi(inparticolaremodellocomplessodelveicoloodell’ambientedivolo)

G. Colasurdo 2/10Promozione attività di ricerca DIMA Roma 6 febbraio 2016

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Temi di ricerca (1) con A. Zavoli

Ottimizzazioneditraiettoriedispacecraft

• Siusanotecnicheindirettediottimizzazione

• Recentementel’attenzioneèstataindirizzataalrendezvouscooperativoealraggiungimentoeallamodificadiconfigurazioniperilformation flying

• Attivitàavviatanell’ambitodiuncontrattoconilCNES

G. Colasurdo 3/10Promozione attività di ricerca DIMA Roma 6 febbraio 2016

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Temi di ricerca (2) con A. Zavoli

Ottimizzazioneglobaleditraiettoriespaziali• Siusanoinizialmentealgoritmiditipoevoluzionisticoe

successivamentetecnicheindirettediottimizzazione

• Costituisconoun’attivitàhobbisticacollegataallapartecipazionedelTeamSapienza- PolitecnicodiTorinoallaGlobalTrajectory Optimization Competition

GTOC5 2° classificato

GTOC6 1° classificato

GTOC8 3° classificato

G. Colasurdo 4/10Promozione attività di ricerca DIMA Roma 6 febbraio 2016

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Temi di ricerca (3) con A. Zavoli

Ottimizzazioneditraiettoriediascesadiunlanciatore

• AttivitàchedovrebbeessereoggettodicontrattoconESA-ESRIN

• Contecnicheindirettesipuòstudiarel’ottimizzazionecombinatadellaconfigurazioneedellatraiettoriadiunlanciatore

• Definitalaconfigurazione,perl’ottimizzazionefinaledellatraiettoriadellanciatore,occorreràrealizzareuncodicediottimizzazionediretta

G. Colasurdo 5/10Promozione attività di ricerca DIMA Roma 6 febbraio 2016

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Flightdynamicsofrigidaircraftinthepresenceofatmosphericturbulence

• DIMApersonnel:DeDivitiis– EstimationofthevehicleKussner functionbymeansofaproperunsteady

versionofTait-Kirchhoffmodelincorporatingfreemodelparameters– Identificationofthefreeparametersthroughtheknowledgeoftherotational

forceandmomentaerodynamicderivatives– Determinationoftheturbulentvelocitycorrelationsusinganoriginalclosureof

thevonKàrmàn-Howarth equationandothermodelsknownfromtheliterature– Calculationoftheaircraftaerodynamiccoefficientsinthepresenceofturbulence

asconvolutionsofKussner functionandpairvelocitycorrelationfunctions.

27 febbraio 2017 6/10Promozione attività di ricerca DIMA

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Chaotictrajectoriesdeterminationinatmosphericflight:thecaseoftheboosterstages

• DIMApersonnel:DeDivitiis– AerodynamicModellingofboosterstages.

– AnalysisofchaoticmotionthroughtheLiouville theoremandtheanExtentedLyapunov analysisofthemotionequations.

27 febbraio 2017 7/10Promozione attività di ricerca DIMA

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Main activities G. De Matteis• Inversesimulationofrotarywingvehicles

– Helicopternoise

– Quadrotorcontrol

– Helicoptermodelling

• Spacecraftattitudedynamics– Designofcontrollaws

– DesignandvalidationofADCS

• Flightdynamicsofflexibleaircraft– Modellingandstabilityanalysisofflexibleaircraft

– ModellingandoptimizationforthedesignofHALEvehicles

• Flightdynamicsofre-entryvehicles

• Designandflightdynamics&controlofsmallRPV’s

F. Nasuti 8/10Promozione attività di ricerca DIMA Roma 6 febbraio 2016

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Inverse simulation• DIMApersonnel:DeMatteis• Background(since~ 1999):

– Multipletime-scaleIntegrationmethodsforinverseproblems– TrajectorygenerationandtrackingforVTOLvehicles

• Collaborations:Università delSalento,Università RomaTre,Università diBologna(Forlì)

27 febbraio 2017 9/10Promozione attività di ricerca DIMA

• Activities– Modellization ofhelicopternoisehemispheresin

maneuveringflightconditions:foraspecifiedtrajectorycontrolandstatevariablesaredeterminedasinputforaeroelastic/aerodynamic/aeroacustic predictions;trajectoryplanningforthereductionofgroundacusticimpact

– Assessmentofhelicoptermodelaccuracy:modelsofdifferentcomplexityarecomparedbycomputinginversesolutionsobtainedforthesamemaneuver

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Inverse simulation (2)– Trajectorycontrolmethodologyforquadrotorcarryingsuspendedloads:

designoffeedforwardcontrollawsforcontrolsystemdesignorassessmentofperformancelimits

– Assessmentofmodelfidelityforsmallscalerotorcraftandquadrotors:flightdataarerecordedformaneuverstailoredtoexcitespecificmodes;inversesimulationofthesamemaneuversallowsforthedeterminationoftheaccuracyofspecificmodels

27 febbraio 2017 10/10Promozione attività di ricerca DIMA

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Attitude dynamics of small satellites• DIMApersonnel:DeMatteis,Zavoli• Background(since~ 2001):

– CommandgenerationforspacecraftmaneuversusingCGMs– Continuationofattitudemotionofgyrostats

• Collaborations:Università delSalento,Università diBologna(Forlì)

• Activities– Singlemagnetictorque-rodcontrolfordetumbling:

convergence/stabilityanalysisofthecontrollaw– Controlofunderactuated spacecraft:singleaxispointingusingtwo

reactionwheels;designofcontrollawandproofofstability

27 febbraio 2017 11/10Promozione attività di ricerca DIMA

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Flight Dynamics of Flexible Aircraft• DIMApersonnel:DeMatteis;Mastroddi,Ph.StudentsRiso,

Saltari

27 febbraio 2017 12/10Promozione attività di ricerca DIMA

• Activities– Flightdynamicsandaeroelasticity offlexible

aircraft:• fully-coupledlinearmodellinearizedaboutaeroelastic

trimconditions• Statespaceformulationfeaturingrigid-body,elasticand

aerodynamicstatevariables• ImplementationusingdatafromgenericFEMsolver• UnsteadyaerodynamicsmodelledusingaDoubleLattice

Method– Multi-disciplinaryoptimizationfo thedesignofa

sun-poweredHALEUAV• requirement/constraintspecification• Missionandperformanceanalysis

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Attitude dynamics (2)• ADCSdesign

– TheACSstabilizesthespacecraftandorientsitindesireddirectionsduringthemission

– EKFforattitudedetermination

– AutomaticSWgeneration(C++)

– TestingandvalidationusingSITL,RT,HITLsimulation(dSpace systems)

27 febbraio 2017 13/10Promozione attività di ricerca DIMA

Solar Ephemeris (Earth-Sun model)

ODS (Orbital propagator)

IGRF (Magnetic field model)

EKF (Attitude estimation) Control laws

Rate gyro (3-axis)

4 Sun sensors (One per face)

Magnetometer (3-axis)

GPS receiver (3-axis)

Sensors ADCS

Reaction wheels (3-orthogonal)

Magnetotorquers (3-orthogonal)

Actuators

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VEGA Launcher Fall Down Analysis• DIMApersonnel:Colasurdo,DeMatteis,Zavoli• Activities

– analysisofthemotionofafree-fallingfragmentofalaunchvehiclefromagiveninitialconditiontoitsimpactontheground

– interpretthesimulationresultsanddrawconclusions,basedonthecharacteristicsofthemodel,inordertosupporttheactivitiescarriedoutatESA-ESRINontheVEGAsafetyflightenvelopeanalysisafterP80neutralization

27 febbraio 2017 14/10Promozione attività di ricerca DIMA

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(Innovative) Small Vehicle Design and FCS Development• DIMApersonnel:DeMatteis,anumberofstudents• Collaborations:Nardi,DIAGRoboticsLab• Background(since~ 2001):

– Performanceandstabilityofaducted-fanUAV– FullenveloperobustcontrolofashroudedfanUAV

• Activitiesü Designofanoveltail-sitterUAVconfiguration:theBoxRotor®,isa

smallelectricVTOLUASdesignedforclose-rangetacticaloperations

27 febbraio 2017 15/10Promozione attività di ricerca DIMA

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Small Vehicle Development (2)• Activities

– Participationatthe2015EuropeanRoboticChallenges(EUROC)– DesignandvalidationoftheFCS(missionmanager)forsmallUAVs:

• Algorithmdesign• HWandSWdevelopment• TestingbyHITLsimulation

27 febbraio 2017 16/10Promozione attività di ricerca DIMA

b = 2.8 mc = 0.4 mS = 1.1 m2

Length: 1.8 mMTOW = 173 NSingle cylinder engine

YAK 112

AscTec HummingbirdSize 54 x 54 x 8.6 cmMTOW = 7 N4 electric enginesHLP programmableusing Simulink

BERGEN INDUSTRIAL TWINLength: 1.5 mh = 0.6 m2 blades, b=0,81 mMTOW = 200 NTwo-cylynder 52cc

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Facility for Rapid Prototyping of (Flight) Control Systems (Flight Dynamics Lab via Tiburtina 205)

• DIMApersonnel:DeMatteis,Zavoli• Activities

– Real-timesoftwareimplementation,Controlsystemsoftwaretesting,Controlsystemfunctionalityverification

27 febbraio 2017 17/10Promozione attività di ricerca DIMA