Trimmaggio e risposta alla raffica di un modello multicorpo di elicottero

This thesis work brings forward the studies on a novel lightweight helicopter, featuring an innovative gimballed two-bladed main rotor, and a speed-driven tail fenestron. Due to its complexity and innovation, recent studies on the isolated rotor have tried to assess its peculiar dynamic behavior. In particular, the (almost) perfect homokinetic joint promises a significant reduction of vibrations transmitted to the fuselage. In order to quantify the advantages over the simpler teetering solution, we have implemented an automatic flight control system that allows trimming a high fidelity multibody helicopter model, obtained in previous thesis works. This model is proved to be able to correctly predict the periodic hub precession motion (wobbling), also present in stationary conditions, as well as the loads transferred to the fuselage. A reduced linear helicopter model has been developed, which allowed the model-based design of two different hover autopilots: the first one consists of a cascade control system, based on six decoupled PID loops, and a second one based on LQR optimal control. The two control laws have then been applied to the free-flying multibody dynamic model, proving their effectiveness in the rapid achievement of low-speed trimmed conditions, as well as showing good external disturbance rejection, verified by subjecting the helicopter to wind gusts.

In questo lavoro di tesi si proseguono gli studi su un innovativo elicottero leggero, caratterizzato da un nuovo tipo di mozzo con doppia sospensione cardanica ad assi coincidenti, e un fenestron di coda comandato in velocità. Per la sua complessità e innovazione, recenti studi sul rotore isolato hanno cercato di identificarne le caratteristiche dinamiche. In particolare, la (quasi) perfetta omocineticità del mozzo promette una significativa riduzione delle vibrazioni indotte sulla fusoliera. Con lo scopo di quantificarne i vantaggi rispetto alla più semplice soluzione di tipo teetering, è stato implementato un sistema di controllo che, realizzando un autopilota per il volo a punto fisso, ha permesso il trimmaggio di un modello multicorpo ad alta fedeltà dell’elicottero completo, realizzato in precedenti lavori di tesi. Tale modello si è infatti dimostrato in grado di prevedere correttamente il moto periodico di precessione (wobbling) del mozzo, riscontrato anche in condizioni stazionarie, e i relativi carichi trasferiti alla fusoliera. Si è dunque realizzato un modello lineare ridotto dell’elicottero, che ha permesso il progetto di due autopiloti distinti: un primo con controllo in cascata, basato su sei anelli PID indipendenti, e un secondo basato sul controllo ottimo LQR. Le due leggi di controllo sono state quindi applicate al modello multicorpo libero, dimostrandone l’efficacia nel rapido raggiungimento di condizioni trimmate a bassa velocità, nonché le ottime caratteristiche di reiezione dei disturbi esterni, verificate sottoponendo l’elicottero a raffiche di vento.