Introduzione
Definizione – Unmanned Aerial Vehicle (UAV)
Un Unmanned Aerial Vehicle (UAV) o Aeromobile a Pilotaggio Remoto (APR) comunemente noto come Drone, è un velivolo caratterizzato dall'assenza del pilota umano a bordo. Il suo volo è controllato dal computer a bordo del velivolo, sotto il controllo remoto di un navigatore o pilota, sul terreno o in un altro veicolo[1].
Cenni Storici
La realizzazione di velivoli senza pilota alimenta l’ingegneria aeronautica da più di un secolo. La nascita e lo sviluppo di queste piattaforme è dovuta principalmente a scopi bellici: lo sviluppo tecnologico durante il Primo Conflitto Mondiale ha permesso uno sviluppo di massa dei velivoli senza pilota, utilizzati in grande quantità nel corso della Seconda Guerra Mondiale.
Oggigiorno gli UAV sono ampiamente utilizzati nell’industria militare, e lo sviluppo di sistemi di bordo basati sulla miniaturizzazione dell’elettronica e sui bassi assorbimenti, insieme alla riduzione dei costi, ha permesso che gli UAV entrassero anche nel mondo civile nel quale sono utilizzati soprattutto per la sorveglianza aerea o anche in operazioni di ricerca e salvataggio.
Tipologie
In ambito civile, i droni si possono classificare principalmente in due categorie:
Droni ad ala rotante
I velivoli appartenenti alla prima tipologia generano portanza grazie all’azione di rotori.
Figura I.1 Ottocottero
I vantaggi dei Droni ad ala rotante sono la possibilità di decollare e atterrare in modo verticale, e soprattutto la possibilità di mantenere l’hovering. D’altra parte il volo tramite il solo ausilio dei rotori risulta poco efficiente dal punto di vista aerodinamico. Questa tipologia di Droni ha solitamente un raggio di azione limitato a causa degli elevati consumi che portano a una limitata autonomia di missione.
I Droni ad ala fissa, al contrario, sfruttano l’aerodinamicità dell’ala per garantire prestazioni migliori.
Figura I.2 Drone ad Ala Fissa
Risultano più stabili in condizione di vento o perturbazioni, posso raggiungere velocità elevate e grazie ai minori consumi possono coprire aree più vaste con conseguente maggior autonomia di missione. Gli svantaggi dei Droni ad ala fissa sono la necessità di uno spazio adeguato per il decollo e l’atterraggio o di particolari dispositivi quali catapulte di lancio e/o reti di cattura.
Negli anni la continua ricerca di unire in un unico velivolo i vantaggi derivanti dai Droni ad ala fissa e quelli derivanti dai Droni ad ala rotante, ha portato alla nascita di una tipologia di velivoli ibridi chiamati Convertiplani. Questa categoria è molto complessa in quanto necessita l’utilizzo di superfici o rotori mobili per poter passare dalla spinta verticale in hovering alla spinta propulsiva in volo livellato rendendo complicato il raggiungimento di affidabilità richiesto dalle normative.
Il progetto
Il progetto universitario relativo alla tesi si ispira al prototipo Lockheed XFV realizzato negli anni ‘50 il quale doveva essere in grado di posarsi a terra verticalmente sulla coda, per poi ruotare in volo una volta effettuato il decollo verticale. A causa delle problematiche relative al decollo e all’atterraggio irrisolvibili per il tempo, il progetto fu accantonato senza che il prototipo realizzasse mai un decollo verticale.
Figura I.4 Lockheed XFV
Il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale dell’Università di Pisa si è posto l’obiettivo di realizzare un UAV innovativo di classe Mini per monitoraggio ambientale, che abbia la capacità di volare sia come un aeroplano, sia a punto fisso come un multirotore, con elevate prestazioni, bassi costi, bassa complessità in modo da garantire un’elevata affidabilità.
La collaborazione dei laboratori di Fluidodinamica e di Meccanica del volo ha portato alla realizzazione di una configurazione tuttala con un impianto propulsivo caratterizzato da quattro rotori.
Figura I.5 Configurazine studiata nell’ambito di questa tesi
L’argomento di Tesi
L’argomento trattato in questo lavoro di tesi è lo sviluppo di un Flight Management System.
Il punto di partenza è un di UAV, in configurazione “aereo” (comportamento come velivolo ad ala fissa), di cui sono note le principali caratteristiche aerodinamiche, quali curve , il momento aerodinamico , e le principali prestazioni del velivolo, quali autonomia oraria e chilometrica, efficienza e consumi in vari assetti di volo.
Sul Drone è stato realizzato uno studio sulle caratteristiche aeromeccaniche e dinamiche per la stabilità nel piano longitudinale e laterodirezione in volo livellato e in hovering. Successivamente è stata studiata una possibile manovra di transizione per quanto riguarda sia il decollo che l’atterraggio con la sintesi di opportuni sistemi di controllo per supportare tale manovra.
Si rimanda a [2], [3] e [4] per ulteriori approfondimenti.
In previsione della costruzione di un primo prototipo del velivolo per realizzare i primi test in volo, si sviluppano dei sistemi di controllo per permettere al Drone di compiere manovre di virata, salita e discesa, al fine di fare eseguire al velivolo un percorso tridimensionale stabilito identificato tramite l’utilizzo di waypoint (WP), e che può essere modificando cambiando semplicemente le coordinate geografiche di quest’ultimi utilizzate come dati di ingresso del Flight Management System.
Si sviluppano controllori nel piano longitudinale e nel piano laterodirezionale: si implementano sistemi di controllo quali SAS, per le velocità angolari di beccheggio (q) e di imbardata (r), e Autopiloti per il controllo degli angoli di rollio ( ), di salita ( ) e per il controllo della velocità del velivolo .
I controlli sono necessari per rendere possibile le manovre di virata, salita e discesa che il Drone dovrà compiere per portare a termine la missione ossia per inseguire correttamente i waypoint ed eseguire correttamente il percorso stabilito.
La sintesi del Flight Management System e dei sistemi di controllo si verificano con campagne di simulazioni durante le quali si modificano le condizioni operative dell’ UAV e i le missioni, e quindi i percorsi, da portare a termine
