Università degli studi di Udine

Corso di RoboticaDocente: Antonio D’AngeloStudente: Luca Snaidero

Rudimenti di volo con elicottero

Le forze fisiche: Peso Resistenza Portanza Trazione

Rotore principale

Dispositivi anticoppia per contrastare il momento torcente operante sulla fusoliera: Rotore secondario in coda Secondo rotore principale Gas di scarico elicotteri a reazione

Aerodinamica: Il rotore riceve una spinta uguale e

contraria, pari alla variazione della quantità di moto del fluido che lo attraversa nell’unità di tempo

m  - la massa d’aria che attraversa il rotore;

t  - il tempo di osservazione del fenomeno;

 - la variazione di velocità subita dal fluido attraverso il disco del rotore;

 - la portata massica d’aria che attraversa il disco del rotore;

s  - l’area dl disco;

 - il salto di pressione dinamica subito dal flusso d’aria tra monte e valle del disco del rotore.

ρ - densità dell’aria

Lo swashplate è un dispositivo che traduce i comandi del pilota all’elicottero comandando il comportamento delle pale del rotore principale. Essa è utilizzata per trasmettere i comandi pilota dalla fusoliera (fissa) al mozzo ed alle pale (rotanti). 1. Piatto esterno fisso (blu)

2. Piatto interno rotante (metallo)3. Giunto sferico4. Controllo lungo l'asse di imbardata. Inclina il rotore in senso longitudinale (pitch) e evita la rotazione dell'anello esterno (compasso).5. Controllo lungo l'asse di rollio. Inclina il rotore lateralmente (roll)6. Bielle di collegamento (color metallo) alle pale del rotore. In nero le bielle che variano il passo delle pale controllate dal piatto interno

I controlli di un elicottero sono:Collettivo: controlla l’angolo di attacco delle pale. All’aumento dell’angolo di attacco corrisponde un incremento della portanza

Pedaliera: controlla il rotore di coda per comandare la direzione della prua (lo “yaw axis”)

I controlli di un elicottero sono:Manetta: è un semplice acceleratore che consente di controllare il regime del motore e dunque di trasmettere maggiore o minore potenza secondo la necessità del momento.

Ciclico: governa la variazione ciclica dell’angolo di attacco delle pale. Serve a distribuire opportunamente la spinta in modo da consentire variazioni di assetto e spostamento dell’elicottero.

Decollo Aumentare il passo collettivo Usare la pedaliera per azionare il rotore di coda che

contrasti la coppia generata dal rotore principale

Spostamento longitudinale Portare in avanti la leva del passo ciclico Dare un po’ di collettivo per ristabilire stessa portanza Dare pedaliera nel senso di rotazione del rotore principale

Cambio di direzione orizzontale Usare pedaliera per modificare i giri del rotore di coda e

sfruttare eventualmente la coppia e l’anticoppia per modificare la direzione

Il FADEC è un sistema elettronico computerizzato che controlla il funzionamento del motore in tutte le sue fasi operative

In particolare si occupa di: Power management Gas generator control Engine limit protection Automatic and manual engine start Engine parameters transmission for cockpit indication Transmission of engine condition monitoring parameters Detection, isolation, memorization of its internal system failures

Il FADEC è composto da: ECU (Electronic control unit). E’ il

cervello del sistema. Riceve segnali dai sensori, li elabora ed invia comandi elettrici al HMU

HMU (hydro mechanical unit). Riceve e converse i segnali elettrici in arrivo da ECU in pressione idraulica

Componenti periferici: attuatori e sentori che inviano dati ed eseguono comandi

Navigazione per dispositivi UAV

La navigazione consiste nel dirigere l’UAV in un ambiente affinchè: Raggiunga la destinazione Non si perda Non si schianti contro ostacoli

La navigazione viene risolta impostando tre attività in sequenza: Mapping (costruzione della mappa) Planning (pianificazione della rotta) Driving (navigazione lungo la rotta)

Le mappe sono di 4 tipologie: Mappe dei percorsi: rappresentazione

attraverso grafi dei percorsi predefiniti da seguire Mappe dello spazio libero: rappresentazione

attraverso grafi dello spazio libero Mappe orientate agli ostacoli (object-

oriented): si rappresentano (con strutture adeguate come ad esempio i Frames) gli oggetti presenti nel mondo

Mappe composite o miste: sono rappresentati con precisione diversa i vari punti della mappa

Utilizzo: Tracciamento di una regione conosciuta

Memorizzazione eseguita a priori dei vari percorsi possibili attraverso struttura a grafo di: Semplice analisi Difficile modifica Bassa adattabilità

Esempio: navigazione con Landmark (cartelli posti nel territorio che il robot utilizza per capire la propria posizione)

Utilizzo: Primo tracciamento di una regione non

conosciuta

Costruzione: Primi voli per rilevare i punti in corrispondenza

di manovre obbligate Rilevazione traiettorie attraverso unione tali

punti Suddivisione in regioni attraverso algoritmo di

tassellazione

Esempio: tassellazione di Voronoi

Utilizzo: Tracciamento di una regione conosciuta

Memorizzazione eseguita a priori dei vari oggetti presenti sul territorio mediante memorizzazione in lista di record dove: Si descrive la posizione e l’orientamento

dell’oggetto attraverso la lista della posizione assoluta dei suoi vertici

Si descrive la posizione assoluta in coordinate di un punto di riferimento dell’oggetto più una lista di vertici in coordinate relative al punto di riferimento dell’oggetto

Esempio: rappresentazione del mondo attraverso Frame

Utilizzo: Tracciamento di una regione conosciuta

Memorizzazione eseguita a priori dei vari oggetti presenti sul territorio mediante un albero di quadretti cosi creato: Si divide in quattro parti che vengono

etichettato come piena, vuota o mista; se una parte è mista, viene segmentata in quadretti di dimensioni più piccole fino ad arrivare alla dimensione minima significativa del robot

Esempio: rappresentazione del mondo attraverso Quadtree

Questa struttura ha equivalente tridimensionale che prende il nome di Octree, che però conduce ad una struttura troppo articolata per essere efficaciemente utilizzata nella navigazione

La fase del Planning permette di ottenere il cammino geometrico ottimo da un punto di partenza ad uno di destinazione

Gli algoritmi di ricerca possono essere gli stessi anche in diverse rappresentazioni, visto che i modelli di rappresentazione dati spesso sono gli stessi

Tabella di raccordo fra tipologia di mappa ed algoritmo di path planning utilizzato:Mappa utilizzata Metodo di Path Planning

Mappa dei percorsi A* Algorithm

Mappa dello spazio libero A* Algorithm

Mappa orientata agli ostacoli A* Algorithm dopo trasformazione di modello

Mappa composita Distance Transform Algorithm

Problema di ricerca nello spazio degli stati: S = insieme degli stati G contenuto in S, G è l’insieme degli stati GOAL s0 = stato iniziale o1, o2, … , oK = insieme degli operatori disponibili

Una soluzione ad un PRSS è una sequenza di operatori che applicata ad s0 conduce ad uno stato in G.

Una soluzione ottima è una soluzione il cui costo totale non è maggiore del costo totale di nessuna altra soluzione

E’ possibile applicare l’algoritmo alle regioni di Voronoi di Spazio Libero che sono rappresentate in un grafo. L’algoritmo indicherà la sequenza di punti generatori di regioni di Voronoi da attraversare. Qui di seguito una immagine esemplificante il funzionamento.

Adattamento per l’A* Algorithm: Espansione degli ostacoli facendo

scorrere la figura rappresentante il robot sull’ostacolo

Costruzione del grafo dei vertici Costruzione del grafo di visibilità, che

collega START, GOAL e tutti i vertici tra loro visibili

Applicazione dell’ A* Algorithm

Percorso ottenuto con A* su oggetti espansi:

Calcolo della matrice di trasformazione delle distanze: Si assegna un certo valore uguale per tutte le celle,

ad esempio n*m con n numero di righe, m numero di colonne

Si assegna valore 0 ai punti di GOAL Si assegna valore infinito ai punti occupati in tutto o

in parte da oggetti Si itera più volte, assegnando a ciascuna cella dello

spazio libero il minimo valore fra quanto già contiene ed il minimo valore degli otto vicini incrementato della distanza (+ 1 per spostamento orizzontale e verticale

+ 1.4 per spostamento in diagonale)

Tracciamento del cammino da START ad GOAL: Percorrere le celle in ordine decrescente di

contenuto, massimizzando la discesa fino ad arrivare al GOAL più vicino

Controllare il robot nella esecuzione del percorso trovato facendo in modo che eviti: Ostacoli mobili Ostacoli immobili imprevisti Perdita di precisione nella localizzazione del

robot

Principale sistema di Obstacle-avoidance: Il metodo dei campi potenziali

Obiettivo: fare attrarre il robot dai GOAL e farlo respingere dagli ostacoli

La funzione potenziale è la somma di due compontenti: Un potenziale attrattivo, che attira il robot verso il GOAL Un potenziale repulsivo, che lo respinge dagli ostacoli

Gli ostacoli del mondo sono pesati in base alla loro distanza Metodo locale in quanto la funzione potenziale dipende solo

dalla distribuzione degli ostacoli negli intorni del robot Il robot cerca di portarsi dove il potenziale è minimo Determinazione del cammino eseguita direttamente dal

robot Contemporanea valutazione di aree libere e di ostacoli Favorisce introduzione di un feedback sensoriale per il

rilevamento degli ostacoli

Il problema dei minimi locali: possibile creazione di avvallamenti dovuti agli

ostacoli, per lo più concavi, in cui il robot rimane intrappolato. La particolare forma dell’ostacolo e la posizione del goal creano nella concavità un punto in cui le forze di attrazione e di repulsione si equilibrano, generando quindi un punto di equilibrio stabile, costituente una trappola per il robot. A queste trappole si può ovviare, prevedendo, ad esempio, un abbandono momentaneo della tecnica in uso per eseguire dei movimenti di tipo casuale, che conducano il robot fuori dall’avvallamento

Il Global Positioning System (GPS), è un sistema di posizionamento su base satellitare, a copertura globale e continua, gestito dal dipartimento della difesa statunitense

Il sistema di navigazione si articola nelle seguenti componenti: un complesso di minimo 24 satelliti, divisi in gruppi di

quattro su ognuno dei sei piani orbitali (distanti 60° fra loro e inclinati di 55° sul piano equatoriale)

una rete di stazioni di tracciamento (tracking station)▪ Hawaii, California, Minnesota, Maine

un centro di calcolo (computing station)▪ California

un ricevitore GPS (trilaterazione)

Possibili sorgenti di interferenza al segnale: Naturale

▪ Onde radio solari▪ Irregolarità ionosfera

Artificiali▪ Interferenze elettromagnetiche accidentali▪ Jamming / uso di missili antiradiazioni

Un caso di studio: il Canadair/Bombardier CL-327

Anno inizio produzione: 1996Utilizzo: sorveglianzaLuogo utilizzo:

Navi militari Ambienti scoscesi Luoghi senza piste adeguate per altri

UAVPersonale

Numero operatori: 2 Tempo addestramento: 4 settimane

Componenti principali: Versione aggiornata del Bombardier CL-227 Stazione di controllo UAV Sistema di elaborazione immagini MacDonald Dettwiler and

Associates Elementi:

In volo:▪ Veicolo aereo▪ ELTA’s digital Air Data Terminal▪ Sensori (telecamera a colori diurna, telecamera infrarossi,

puntatori laser) A terra:

▪ Stazione di controllo▪ Ground data terminal▪ Equipaggiamento per decollo e recupero

Compiti stazione di controllo: Generazione piano di volo Monitoraggio del volo Controllo dei sensori Correzione ed analisi delle immagini Cattura dati trasmessi da UAV Visualizzazione info geografiche e grafiche ottenute

Proprietà di volo: Autonomia: 6.25 ore Massima altitudine: 5500 metri Massimo carico: 100 Kg Area decollo atterraggio: 10 x 10 m Ottime performance volo punto fisso

UAV a rotori controrotantiLame da 203 cm

Min vel 650 rpm Max vel 750 rpm Installazione senza strumenti, solo con attacco

a molla e spinottoTemperature utilizzo: [-40°C ,

+57°C]

Motore : 100 CV piatto nominale A combustibile pesante Pompa controllata da Integrated Avionics

ComputerSerbatoi:

Il maggiore nella parte alta, capacità 130 litri Il minore nella parte bassa, capacità 50 litri Comunicanti e dotati sensori di livello

Cambio a due marce

Localizzazione: parte centrale del velivolo

Rotori: alle due estremitàPosizione swashplate: tra i due rotoriRotore principale:

Gestione collettivo Gestione ciclico

Rotore secondario: Gestione collettivo

La struttura inferiore è composta da: Centraline collegate all’avionica Il sistema di distribuzione della benzina Puntelli per l’atterraggio Vari sensori

Avionica: Principale

▪ Integrated Avionic Computer (IAC): navigazione, guida, controllo velivolo, stabilizzazione, computo altitudine, analisi sensori, controllo motori, test integrità. Monta 2 Processori Intel i960:▪ Flight control processor (FCP)▪ Navigator control processor (NCP)

Secondaria▪ Inertial Measurement Unit (per odometria in caso di guasto

GPS)▪ GPS receiver▪ Engine Control Unit (ECU)▪ Barometric Altitude Reference Unit (BARU)▪ Power Supply Unit (PSU)

Profilo di missione: Lancio a 350 Kg 750

rpm Salita (a 7.6 m/s) fino a quota di crociera 750 rpm Spostamenti a velocità di crociera per lunghi tratti 750 rpm Abbassamento fino a velocità di perlustrazione 650 rpm Perlustrazione in brevi tratti 650 rpm Salita fino a quota di crociera 750 rpm Ritorno al punto di recupero 650 rpm Discesa fino a quota 50 m sopra il luogo di recupero 650 rpm Volo a punto fisso per 30 minuti 650 rpm Atterraggio verticale sul luogo di recupero 650 rpm

Risultati ottenuti: Velocità di salita: 7.6 m/s Altitudine di spostamento: 5500 m Velocità massima: 157 Km/h Velocità minima: hover (volo fisso) Durata: 6.25 h (4.75 h ad 100 Km/h ed 50 Kg di

carico) Raggio d’azione: 100 Km Massimo peso al lancio: 350 Kg Massimo carico: 100 Kg

Prestazioni in caso di pioggia: Vola con intensità di precipitazioni fino a 1.5

cm/h

Prestazioni in caso di neve: Resiste a 6 mm di ghiaccio ed 13 mm di neve Se accumulati a terra devono essere rimossi

prima del volo

Metodi di guida: Manuale con joystick da centro di controllo Automatica attraverso successione di

waypoint modificabili a runtime

Ciascun waypoint è definito da una serie di parametri includenti: Latitudine, longitudine, altitudine Velocità Stop_al_waypoint (TRUE/FALSE) Mission_End(TRUE/FALSE)

In Navigation Control Processor (in particolare attraverso l’Integrated Navigation Filter) decide la modalità di navigazione che può essere: GPS-aided: in cui si utilizza il segnale GPS NO-GPS-aided: in cui non è possibile

utilizzare il ricevitore GPS e dunque ci si deve basare solamente su:▪ Inertial Measurement Unit (Odometria)▪ Barometric Altitude Reference Unit (per

ottenere informazioni di altitudine osservando la pressione atmosferica)

Il CL-327 ha possibilità di eseguire autonomamente una missione preprogrammata, come limitarsi a seguire in tempo reale le info di volo comunicate.

I piani comunicativi devono dunque seguire uno dei seguenti profili: Normal mode:comunicazione bidirezionale fra velivolo e

stazione Silent mode: uplink ed down link sono interrotti

intenzionalmente. Il velivolo segue il piano di volo prestabilito Downlink only mode: solo l’uplink è interrotto. L’AV

continuerà a trasmettere in tempo reale tutti i dati raccolti fino a che si trova in missione

Unscheduled mission plan updata: l’AV è in continuo ascolto per eventualmente ricevere modifiche sul piano di volo

Nel caso in cui il CL-327 perda inaspettatamente il segnale con il controllo di terra, entra in recovery mode, dunque eseguirà le seguenti operazioni: Discesa sino ad una quota di 1500 metri Ritorno al waypoint ultimo raggiunto Attesa per 10 minuti in hover (volo stazionario)

durante i quali cerca di ristabilire il contatto con la base

Al termine dei 10 minuti esegue l’atterraggio

Velocità di salita: 7.6 m/s Velocità di discesa: 2.5 m/s Spiazzo circolare di diametro 10 metri per decollo Vento massimo: 30 nodi

Tipo di decollo-atterraggio: Manuale, guidato dall’UCS Automatico, per waypoint