Uso di UAV-VTOL per pattugliamento: il Bombardier CL-327

1. Università degli studi di Udine Uso di UAV-VTOL per pattugliamento:il Bombardier CL-327 Corso di Robotica Docente: Antonio D’Angelo Studente: Luca Snaidero

2. CAPITOLO 1 Rudimenti di volo con elicottero

3. Fisica del volo • Le forze fisiche: • Peso • Resistenza • Portanza • Trazione

4. Componenti principali: Rotore • 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

5. Componenti principali: Rotore • 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

6. Componenti principali: Swashplate • 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 sferico 4. 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

7. Pilotaggio:controlli • 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”)

8. Pilotaggio: controlli • 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.

9. Pilotaggio: manovre • 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

10. Controllo elettronico: FADEC • 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

11. Controllo elettronico: FADEC • 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

12. Capitolo 2 Navigazione per dispositivi UAV

13. Navigazione: introduzione • 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)

14. Mapping • 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

15. Mapping: Mappe dei percorsi • 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

16. Mapping: Mappe dei percorsi • Esempio: navigazione con Landmark (cartelli posti nel territorio che il robot utilizza per capire la propria posizione)

17. Mapping: Mappe dello spazio libero • 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

18. Mapping: Mappe dello spazio libero • Esempio: tassellazione di Voronoi

19. Mapping: Mappe orientate agli ostacoli • 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

20. Mapping: Mappe orientate agli ostacoli • Esempio: rappresentazione del mondo attraverso Frame

21. Mapping: Mappe composite o miste • 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

22. Mapping: Mappe composite o miste • 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

23. Planning • 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

24. Planning • Tabella di raccordo fra tipologia di mappa ed algoritmo di path planning utilizzato:

25. Mappe dei percorsi e dello spazio libero: A* 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

26. Mappa dei percori e dello spazio libero: A* Algorithm • 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.

27. Mappe orientate agli ostacoli • 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

28. Mappe orientate agli ostacoli Percorso ottenuto con A* su oggetti espansi:

29. Mappe composite o miste: Distance Transform Algorithm • 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)

30. Mappe composite o miste: Distance Transform Algorithm • 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

31. Driving • 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

32. Obstacle-avoidance: Il metodo dei campo 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

33. Obstacle-avoidance: Il metodo dei campo potenziali

34. Obstacle-avoidance: Il metodo dei campo potenziali • 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

35. Obstacle-avoidance: Il metodo dei campo potenziali

36. Nuove tecnologie di posizionamento: GPS • 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)

37. Nuove tecnologie di posizionamento: GPS • Possibili sorgenti di interferenza al segnale: • Naturale • Onde radio solari • Irregolarità ionosfera • Artificiali • Interferenze elettromagnetiche accidentali • Jamming / uso di missili antiradiazioni

38. CAPITOLO 3 Un caso di studio: il Canadair/Bombardier CL-327

39. CL-327: Introduzione • Anno inizio produzione: 1996 • Utilizzo: sorveglianza • Luogo utilizzo: • Navi militari • Ambienti scoscesi • Luoghi senza piste adeguate per altri UAV • Personale • Numero operatori: 2 • Tempo addestramento: 4 settimane

40. CL-327: Introduzione • 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

41. CL-327: Introduzione • 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

42. CL-327: Descrizione generale • UAV a rotori controrotanti • Lame da 203 cm • Min vel 650 rpm • Max vel 750 rpm • Installazione senza strumenti, solo con attacco a molla e spinotto • Temperature utilizzo: [-40°C , +57°C]

43. CL-327: Motore e trasmissione • Motore : • 100 CV piatto nominale • A combustibile pesante • Pompa controllata da Integrated Avionics Computer • Serbatoi: • 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

44. CL-327: Il modulo elica • Localizzazione: parte centrale del velivolo • Rotori: alle due estremità • Posizione swashplate: tra i due rotori • Rotore principale: • Gestione collettivo • Gestione ciclico • Rotore secondario: • Gestione collettivo

45. CL-327: La struttura inferiore • La struttura inferiore è composta da: • Centraline collegate all’avionica • Il sistema di distribuzione della benzina • Puntelli per l’atterraggio • Vari sensori

46. CL-327: La struttura inferiore • 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)

47. CL-327: Sezione di velivolo

48. CL-327: Comportamento in missione • 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

49. CL-327: Comportamento in missione • 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

50. CL-327: Operatività in condizioni difficili • 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