Metodi di soluzione guasti nel volo in formazione di velivoli

autonomi

Candidato:

Simone Di Nisio

Relatori:

Prof. M.Innocenti

Prof. A. Balestrino

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Introduzione

• Volo automatico di velivoli in formazione– Mantenimento di una formazione

• Riconfigurazione in caso di guasti automatizzata

• Estensione del procedimento ad altri sistemi dinamici– Analogie nella gestione dei guasti

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Organizzazione del lavoro svolto

• Gestione del volo in formazione• Topologia della formazione vista come grafo• Mappe di riconfigurazione

– Perdita dell’aereo

– Rottura del trasmettitore

– Rottura del ricevitore

• Controllore della formazione• Modello Simulink Formation’s Manager

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Gestione del volo in formazione

• Gestore della formazione– Centralizzato

– Decentralizzato

• Scelta di un gestore decentralizzato– L’algoritmo di decisione distribuito deve produrre

risultati coincidenti su tutti gli aerei

• Canali di comunicazione– Point-to-Point

– Broadcast

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• Formazione rappresentata con un grafo pesato ed orientato– Posizione dell’aereo nella formazione nodo

– Canale di comunicazione arco

• Assegnazione dei pesi agli archi• Introduzione del Virtual Leader • Utilizzo dell’algoritmo di Dijkstra per trovare un

albero di copertura di costo minimo

Topologia della formazione vista come grafo

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Possibili configurazioni della formazione

• Le topologie previste per formazioni composte da un numero di aerei minore od uguale a 6 sono illustrate in figura

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Mappe di riconfigurazione (1)

• Il rilevamento di guasti puo’ rendere necessario il cambio di posizione di qualche aereo, per ristabilire una configurazione ottimale della formazione

• In ciascun aereo viene eseguita una procedura che implementa le mappe di riconfigurazione

• Decisioni contrastanti che porterebbero due o piu’ aerei a spostarsi nella stessa posizione sono escluse

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Mappe di riconfigurazione:perdita aereo (2)

• Descriviamo il caso in cui si ha la perdita del leader di una formazione composta da 6 aerei

• A seconda dello stato del TX degli aerei in seconda linea, si effettua uno spostamento per assegnare un nuovo leader alla formazione

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Mappe di riconfigurazione:perdita aereo (3)

• Per ottenere una topologia a ‘V’ rovesciata, sono richiesti altri cambi di posizione, che sono scelti in base a quanto descritto dalla mappa di riconfigurazione illustrata in figura

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Mappe di riconfigurazione:rottura del TX (4)

• Nel caso di guasti al TX di un aereo puo’ rendersi necessario un cambio di posizione per ripristinare dei canali di comunicazione che sono diventati inutilizzabili

• L’aereo con il TX rotto con una manovra precalcolata si sposta in una posizione di comodo, dietro la formazione

• Gli altri aerei si comportano similmente al caso della perdita di un velivolo, eseguendo le mappe di riconfigurazione

• In seguito l’aereo con il TX guasto, rientra nella formazione in una delle posizioni libere in ultima fila

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Mappe di riconfigurazione:rottura del TX (5)

• Un caso interessante da discutere e’ la rottura del trasmettitore in una formazione di 5 aerei

• Il temporaneo allontanamento dell’aereo con il TX rotto, provoca una riconfigurazione che utilizza le mappe da 5 a 4 che non sono invertibili

• Dei particolari accorgimenti consentono la gestione corretta della situazione

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Mappe di riconfigurazione:rottura del RX (6)

• Occorre precisare che nel caso di guasto al RX non si eseguono le mappe di riconfigurazione

• Se sono verificate delle condizioni che portano al cambio del leader, questo si sposta dietro la formazione, l’aereo con il ricevitore guasto va nel nodo 1, e infine il leader rientra nello schieramento posizionandosi nel nodo appena lasciato libero

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Controllore della formazione (1)

• Ciascun aereo trasmette la propria posizione assoluta e la traiettoria seguita all’aereo che lo assume come riferimento (aereo follower)

• L’aereo che riceve questi dati regola la propria distanza relativa dal riferimento utilizzando il controllore schematizzato nella figura seguente

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Controllore della formazione (2)

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Formation’s Manager (1)

• Il modello della formazione capace di riconfigurarsi automaticamente in presenza di fault e’ stato realizzato con l’ausilio di MATLAB 6.0, in particolare con due suoi toolbox: Simulink e Stateflow

• Stateflow e’ stato utilizzato per l’implementazione dell’automa a stati finiti che consente la gestione dei guasti

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Formation’s Manager (2)

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Formation’s Manager (3)

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Esempio: perdita aereo 3 (1)

• Illustriamo il caso in cui si verifichi la perdita dell’aereo in posizione 3 in una formazione di 6 aerei.

• Le mappe di riconfigurazione prevedono che l’aereo in posizione 5 si sposti nel nodo 3, se ha il TX funzionante, portando cosi’ la formazione in una topologia a ‘V’ rovesciata

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Esempio: perdita aereo 3 (2)

• Prima del fault l’albero di copertura di costo minimo trovato dall’algoritmo di Dijkstra e’ mostrato in figura

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Esempio: perdita aereo 3 (3)

• Quando il resto della formazione si accorge della perdita dell’aereo 3, ciascun aereo riesegue l’algoritmo di Dijkstra, riconfigurando cosi’ il proprio canale di configurazione

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Esempio: perdita aereo 3 (4)

• L’aereo 5 e’ quello scelto dalle mappe di riconfigurazione per ricoprire la posizione lasciata libera

• Prima di cominciare lo spostamento, spegne il proprio TX e da il tempo all’aereo 6 di cambiare riferimento

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Esempio: perdita aereo 3 (5)

• Una volta arrivato in posizione 3, l’aereo 5 segnala la fine del suo spostamento a tutta la formazione.

• In seguito alla nuova esecuzione dell’algoritmo di Dijkstra, l’aereo 5 prende come riferimento l’aereo 1 ed e’ di riferimento per l’aereo 6

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Esempio: perdita aereo 3 (6)• L’aereo 5 prima del cambio di

posizione, e durante, prende riferimento dall’aereo 2.

• La distanza che deve mantenere da questo prima del cambio e’ di 20 ft lungo l’asse x e -20 ft lungo l’asse y.

• Andandosi a posizionare nel nodo 3, la nuova distanza da mantenere per l’aereo 5 e’ di 0 ft lungo l’asse x e -40 ft lungo l’asse y

• Giunto in posizione e preso come riferimento l’aereo 1, la nuova distanza da mantenere torna ad essere di 20 ft lungo l’asse x e -20 ft lungo l’asse y

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Esempio: perdita aereo 3 (6)

• L’andamento dell’errore di posizione lungo l’asse x e lungo l’asse y sono diversi da zero, durante il cambiamento di nodo.

• Dopo un transitorio di una decina di secondi l’errore di posizione torna ad essere nullo

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Esempio: perdita aereo 3 (7)

• Andamento del modulo della velocita’, dell’angolo di Flight Path e di quello di Heading, dell’aereo 5

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Esempio: perdita aereo 3 (8)

• Evoluzione del diagramma Stateflow all’interno dell’aereo 5– Prima della perdita

dell’aereo 3

– Appena viene scelto per il cambio di posizione dalla mappa di riconfigurazione

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Esempio: perdita aereo 3 (9)

• All’interno del sottodiagramma RM– L’aereo 5 provvede a

spegnere il proprio trasmettitore

– Effettua una manovra che non prevede variazioni dell’altezza dal suolo

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