UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PISA

FACOLTA’ DI INGEGNERIA

Tesi di Laurea 

PROGETTO E MESSA A PUNTO DI UN BANCO PROVA PER LA VERIFICA

DELLE CARATTERISTICHE DI SICUREZZA DI UN VELOVOLO UAV

1.1 Possibili campi di impiego dell’UAV

Gli avvenimenti bellici di questi ultimi anni hanno dimostrato le potenzialità ed anche la necessità, al fine di ridurre il numero di perdite umane, di sistemi di ricognizione e/o osservazione del territorio basati su velivoli privi di pilota a bordo, capaci di effettuare navigazione autonoma e/o pilotata da terra ed in grado di trasmettere in tempo reale i dati rilevati. Il campo di impiego dei velivoli non abitati (UAV - Unmanned Aerial Vehicle) non è confinato però solamente a quello militare, ma potrebbe trovare applicazioni concrete in molte delle attività che richiedano un controllo del territorio, tra cui ad esempio l’agricoltura, la geologia, l’oceanografia e la protezione civile. Gli UAV potrebbero diventare insostituibili qualora le predette attività si dovessero svolgere in ambienti ostili al punto da impedire l’uso di velivoli abitati. 

L’impiego di velivoli di tipo UAV in scenari prevalentemente civili è l’oggetto dell’attività di ricerca condotta dal DIA (Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale) dell’Università degli Studi di Pisa, volta a realizzare un sistema di controllo del territorio, denominata "Progetto SCAUT" (Sistema di Controllo AUtomatico del Territorio) [1], [2], [3], [4] e [5]. La configurazione individuata nell’ambito del "Progetto SCAUT" si colloca in una categoria che, per dimensioni, prestazioni e carico pagante (inteso come peso di strumentazioni e sensori specifici per lo svolgimento di una determinata missione) risulta essere quella maggiormente utilizzata nelle molteplici attività di ricerca e di controllo del territorio che vedono impegnate queste particolari macchine.

Questo lavoro di tesi si colloca nell’ambito del progetto SCAUT descritto al §1.2. Descrive la validazione dei risultati di tutti i lavori precedenti e le modifiche fisiche ed a livello di software apportate all’intero Simulatore di Volo, nonché del lavoro svolto per eseguire il collegamento tra FMS (Flight Management System) ed il modello dell’UAV-SCAUT, che adesso è disponibile presso il Laboratorio di Meccanica del Volo del DIA. Tutti i precedenti lavori di tesi e le esperienze di ricerca, svolte presso il Laboratorio di Meccanica del Volo, utilizzavano il pacchetto Simulink™ appartenente al programma Matlab™ e quindi anche per questo lavoro è stata seguita questa strada per la realizzazione dei modelli dei componenti che in modo effettivo eseguono la simulazione. Adottare tale ambiente di lavoro permette di soddisfare alcuni importanti requisiti. Il primo di questi è rappresentato dalla flessibilità del sistema, che deve essere facilmente riconfigurabile per essere in grado di riprodurre, senza grosse difficoltà, le dinamiche di differenti tipologie di velivoli. Un secondo requisito è quello economico del contenimento dei costi, che colloca il banco prova nella categoria dei simulatori a basso costo. Questa scelta inoltre permette di compilare i modelli in linguaggio C così da ottenere file, eseguibili in modo completamente automatico, da utilizzare per simulazioni in tempo reale. Per effettuare modifiche e sviluppo delle interfacce grafiche con l’utente è stato poi utilizzato il software Labview™ della National Instrum ents™. Lo sviluppo del banco prova ha richiesto, in precedenti lavori, la creazione di una rete di calcolatori con una configurazione di tipo host/client in cui ogni macchina invia e riceve informazioni: quest’ultimo è un ulteriore aspetto che ha condizionato la scelta dei pacchetti software con cui sono stati modellati i vari componenti del banco.

Il presente lavoro è organizzato nel modo seguente:

- Il Capitolo 2 è dedicato alla descrizione dell’architettura del banco prova, con particolare riferimento al modo in cui le informazioni sono gestite all’interno della rete locale dal software di simulazione ed alle modifiche apportate rispetto ai lavori precedenti.

- Il Capitolo 3 spiega la funzione di Sim, analizza in maniera dettagliata le parti nuove e descrive le scelte ed i procedimenti che hanno portato alla loro realizzazione. Mostra inoltre come la struttura sia stata prima generata, in ambiente Simulink™, e poi connessa alla parte preesistente del Simulatore.

- Il Capitolo 4 tratta della funzione di FMS e ne descrive le modifiche seguite all’aggiornamento del Simulatore e dei sistemi fisicamente presenti sul modello dell’UAV-SCAUT. Particolare attenzione sarà posta alle modifiche degli autopiloti. Saranno quindi mostrati i vari blocchi Simulink™ delle parti modificate. 

- Il Capitolo 5 verte sulla funzione di Instruments e descrive le modifiche apportate e le scelte che hanno portato a queste. Saranno poi illustrati i diagrammi Labview™ che generano il pannello. 

- Il Capitolo 6 tratta della funzione di Maps e descrive le novità introdotte dal nuovo computer. Saranno mostrate le diverse possibilità di scelta ed i diagrammi Labview™ che generano il pannello.

- Il Capitolo 7 descrive brevemente le novità, a livello hardware e software, presenti su Joystick e Visual.

- Il Capitolo 8 mostra la configurazione dell’UAV-SCAUT ed i collegamenti effettuati per unire al modello del velivolo i sistemi di attuazione e di acquisizione dei dati dall’esterno.

- Nel Capitolo 9 sono riassunte le conclusioni e sono delineati i possibili sviluppi futuri.

Per le informazioni tecniche, riguardanti la sequenza di operazioni da effettuare da parte dell’utente per un corretto funzionamento del banco prova, si rimanda alle Appendici.

La configurazione generale di ogni sistema UAV completo è composta dal velivolo vero e proprio e dalla stazione di terra o Ground Control Station (GCS), come schematizzato in Figura 2.1. A bordo del velivolo è presente il Flight Management System (FMS), inteso come il computer di bordo che, utilizzando un insieme di sistemi durante le fasi del volo non controllate dal pilota a terra, riesca a svolgere le funzioni di controllo automatico del volo, di controllo della navigazione e di analisi di possibili avarie a bordo con conseguente modifica della missione od interruzione della medesima. La stazione di terra è costituita da un gruppo di calcolatori per mezzo dei quali è visualizzato lo stato dell’intero sistema e con cui viene pilotato il velivolo. Le due parti dialogano tramite un apposito sistema di invio e ricezione dei segnali (denominato uplink-downlink) basato principalmente su onde radio. Allo stato attuale delle cose, visto che il sistema non è 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 è costituito dalle due seguenti parti principali:

1. Il modello del Simulatore dell’UAV-SCAUT ed il modello del FMS.
2. La Ground Control Station.

Entrambi 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 programmazione della missione da trasmettere all’UAV.

Tesi completa in formato PDF (178 pagine)

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Autore:

Dott. Ing. Adriano Spadoni

''In primo piano''
settembre 2007

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