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Architettura del banco prova
2.1
Generalit`
a
La configurazione generale di ogni sistema UAV completo risulta composta dal velivolo vero e proprio e dalla stazione di terra GCS (Ground Control Station), come schematizzato in Figura 2.1. A bordo del velivolo `e presente il FMS, inteso come il computer di bordo che, utilizzando un insieme di sistemi durante le fasi del volo non manovrate dal pilota a terra, svolge le funzioni di controllo automatico del volo, di controllo della navigazione e di analisi di possibili avarie a bordo con conseguente modifica della missione o interruzione della medesima.
La stazione di terra `e costituita da un gruppo di calcolatori per mezzo dei quali `e visualizzato lo stato dell’intero sistema e con cui viene pilotato il velivolo. Le due parti dialogano tramite un apposito sistema di invio e ri-cezione dei segnali (denominato uplink-downlink ) basato principalmente su onde radio. Allo stato attuale delle cose, visto che il sistema non `e ancora completamente operativo, il sistema di scambio dei dati avviene per mezzo di connessione ethernet.
Il banco prova simula in tempo reale il sistema UAV completo. Esso `e costituito dalle tre seguenti parti principali:
1. Il modello del Simulatore dell’UAV ed il modello del FMS.
2. La stazione di terra GCS.
Figura 2.1: Schema generale del banco prova
Tutti i componenti sono in grado di dialogare tra loro.
Il Simulatore trasmette i segnali dei sensori del velivolo al FMS che provvede ad elaborarli per espletare le proprie funzioni.
La GCS del banco prova gestisce i segnali di controllo del volo e di program-mazione della missione da trasmettere all’UAV.
Essa inoltre permette la rappresentazione dello stato della strumentazione di volo, dei sistemi di bordo e della posizione sulla mappa tramite segnali prove-nienti dal FMS, dello scenario esterno grazie ai segnali ricevuti direttamente dal Simulatore.
2.2
Struttura del banco prova
Il banco prova `e separato dagli altri calcolatori presenti nel LMV allo scopo di aumentare al massimo il numero di calcolatori dedicati per velocizzare la simulazione e al tempo stesso di ridurre al minimo il numero delle periferiche utilizzate, mettendone alcune in comune tra pi`u calcolatori, cos`ı da contenere i costi.
2 – Architettura del banco prova
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E stato perci`o creato un rack, contenente FMS, Sim e CGS, che costituisce un giusto compromesso tra l’aspetto prestazionale e quello economico. La Figura 2.2 mostra la composizione del rack e quali siano le periferiche comuni utilizzate da pi`u calcolatori.
Figura 2.2: Composizione del rack del banco prova
Risulta possibile passare agevolmente dall’uso di un calcolatore ad un al-tro utilizzando o direttamente i due Switch presenti dieal-tro ai monitor oppure per mezzo di una combinazione di tasti.
Nella Figura 2.3 `e mostrata la rete di scambio dei dati tra i vari calcolatori. Come si pu`o notare alcuni calcolatori presentano molteplici interconnessioni al resto del sistema, altri costituiscono dei semplici terminali di visualizza-zione.
Lo schema generale della rete locale `e invece descritto in Figura 2.4, dove si evidenzia anche l’utilizzo delle periferiche comuni da parte di alcuni calcolatori.
2 – Architettura del banco prova
Figura 2.4: Schema generale della rete locale del banco prova
Sul calcolatore Sim `e caricato il software relativo al Simulatore di volo. La simulazione `e attivata mediante apposito floppy disk di avvio (boot disk, [6]) ed esegue in tempo reale il file compilato in linguaggio C corrispondente al modello Simulinkr chiamato Simulatore.
Il calcolatore denominato FMS simula, allo stesso modo di Sim, il sistema di gestione del volo, ed una volta montato a bordo avr`a anche il compito di acquisire i dati provenienti dagli attuatori, dal tubo di Pitot e da tutti i sensori installati sul velivolo.
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E attivato mediante memoria flash che ha la stessa funzione del boot disk per Sim; lavora in tempo reale ed esegue il compilato in linguaggio C riguardante il modello Simulinkr chiamato FMS.
Il calcolatore Instruments `e dedicato alla rappresentazione della strumenta-zione di bordo.
Lavora in ambiente Windows XPr ( c 1985-2007, Microsoft Corporation) ed esegue il file Labviewr ( c 1985-2007, National Instruments) corrispondente al Pannello Strumenti.
grande, consentendo una migliore visualizzazione degli strumenti ed una pi`u agevole interazione con questi ultimi da parte dell’utente tramite mouse e tastiera.
Maps `e il nuovo calcolatore aggiunto con la creazione del rack ed `e dedicato alla rappresentazione della mappa interattiva.
Lavora in ambiente Windows XPr ed esegue il file Labviewr corrispondente al Pannello Mappa. In questo modo `e stato raggiunto l’obiettivo di aumentare la velocit`a di simulazione ed anche una maggiore fluidit`a nella visualizza-zione.
Visual ha il compito di generare lo scenario esterno che si ottiene interfac-ciando il Simulatore al software Flight Simulatorr ( c 1985-2007, Microsoft Corporation) per mezzo del software FSlink realizzato per il DIA. La visua-lizzazione `e possibile tramite monitor o, in alternativa, collegando Visual ad un proiettore LCD per una visione pi`u estesa e reale degli scenari virtuali. Joystick consente il pilotaggio del velivolo tramite joystick e rappresenta l’in-terfaccia tra uomo e velivolo.
Tutti i PC sono corredati di schede ethernet e lo scambio di informazioni `e gestito da un apposito ethernet bus.
Si fa notare che la compilazione e l’uso dei compilati in linguaggio C del Simulatore e di FMS all’interno della rete locale non sono possibili usando schede ethernet generiche, ma sono necessari modelli provvisti di chip I82559 per Sim e NE2000 per FMS.
Quello attualmente in uso presso il Laboratorio di Meccanica del Volo del DIA `
e un modello in scala (mock-up) del velivolo relativo al “Progetto SCAUT”. Le funzioni principali di questo modello, d’ora in poi chiamato semplicemente UAV, sono quindi quelle di controllare l’effettiva funzionalit`a degli apparati di bordo e la reale possibilit`a di predisporre tutti i cablaggi necessari, di ve-rificare il funzionamento degli autopiloti e dei sistemi di controllo e gestione del volo in caso di avaria.
Nella fase finale della ricerca, esso costituir`a il prototipo per la validazione di tutta l’attivit`a precedentemente svolta.
La struttura fisica del velivolo non `e stata assolutamente modificata rispetto a quella dell’UAV-SCAUT: si tratta quindi di un velivolo propulso con un motore ad elica spingente e fornito di doppia coda (altre informazioni sull’ar-chitettura del modello sono riportate in [2]).
2 – Architettura del banco prova
Nelle foto di seguito, Figura 2.5 e Figura 2.6, `e possibile vedere il modello nella sua interezza ed una visione d’insieme del banco prova.
Figura 2.5: Modello dell’UAV
2.3
La simulazione in tempo reale
Per eseguire la simulazione in tempo reale si utilizzano in maniera combinata due toolbox Matlabr: xPC Target per la connessione tra i vari calcolatori e RTW Real Time Workshop che, tramite compilazione di files in linguaggio C su macchine avviate con apposito disco di avvio, consente l’esecuzione dei modelli in tempo reale. Per avviare la procedura di compilazione ed esecu-zione dei modelli `e necessario avere a disposizione due macchine connesse in rete locale, le quali svolgono due funzioni diverse:
• La prima funziona da “sorgente” (source) del modello.
Su di essa `e realizzato il modello Simulinkr corrispondente al sistema reale e crea il disco di avvio (boot disk ) per l’altra macchina.
• La seconda ha la funzione di “obiettivo” (target ) per i files compilati ed esegue la vera e propria simulazione in tempo reale.
Usando l’ulteriore tool di Matlab GUI, acronimo di Graphical User Interface, `
e stato realizzato un programma dotato di interfaccia grafica che consente la gestione di tutta la procedura di avvio della simulazione, dal caricamento di tutti i files necessari, alla loro compilazione in C fino al vero e proprio avvio. Il collegamento dei PC in rete locale consente lo scambio di dati tramite connessione UDP (User Datagram Protocol ).
Si `e cos`ı chiarita la funzione della periferica Joystick (cfr. §2.2). `E su questa macchina che, in ambiente Simulinkr, `e effettuata la compilazione dei modelli del Simulatore e di FMS, ed `e da essa che i corrispondenti files in linguaggio C sono inviati rispettivamente a Sim ed a FMS. Questa funzione di computer compilatore giustifica l’utilizzo di un calcolatore a parte; altrimenti la sola funzione di gestione della periferica joystick non sarebbe stata in linea con la scelta progettuale di creare un simulatore di volo a basso costo.
Durante la simulazione infine, i modelli Labviewr del pannello strumenti e della mappa interattiva, insieme a quello dello scenario esterno, sono eseguiti direttamente in ambiente Windows XPr sui rispettivi calcolatori, ricevendo da FMS e Sim i dati necessari in tempo reale nel modo mostrato in Figura 2.3.
