Normative authorities continuously update the safety requirements for helicopters turbulent flight, so the design of a flight control system capable to fulfill the increasing normative safety requirements is a challenge for companies. LEONARDO S.p.A. , a world leader in helicopters manufacturing, is interested into the development of a innovative tool capable to estimate the level of turbulence present during flight, using the flight data available. Furthermore LEONARDO S.p.A. is interested into the development of an artificial stimulus capable to reproduce on the helicopter the same effects of a real atmospheric turbulence also in calm air condition. The development of the stimulus will provide an upgrade in the campaign certification process, reducing cost and time of development. The purposes of the thesis is to develop a tool capable to estimate the atmospheric turbulence intensity level during flights and design the stimulus capable to reproduce the atmospheric turbulence effects. Initially has been performed a preliminary study on the atmospheric turbulence phenomena, on the mathematical models used to reproduce them and on the disturbance estimation state of the art. In this first section have been defined the level of intensity of the atmospheric turbulence, using both the mathematical models and the normative references of the effects onboard. After this preliminary study have been analyzed the available helicopter models, showing the main features and the comparison between them. A new method to couple the LTI helicopter identified model with the physical turbulence model has been presented. Starting from the new helicopter-turbulence coupling model has been developed a disturbance estimator algorithm, capable to estimate the time history of the disturbances acting on the model, with the goal to calculate power spectral density, spectral power and the identification of turbulence level of intensity. Using the information on the spectral power of the atmospheric turbulence obtained through simulation, has been designed a stimulus capable to reproduce the same spectral power curve of a simulated turbulence. The stimulus is designed as a fictitious additional input on the angular rates and attitudes. The estimation algorithm has been successfully evaluated in simulation, while the correct injection of the stimuli have been tested at the flight simulator. In the last part of the work has been tested all the presented tools in a dedicated flight. The stimuli have been injected and later estimated through the algorithm. The results obtained show that on the pitch and yaw axis the relative error between the spectral power level injected and successively estimated is restrained under the 10%, while on the roll axis the relative error increase up to 19%. The disturbances estimation algorithm has been used to estimate the intensity turbulence level experienced during a flight. The results obtained estimation are confirmed by the crew, confirming the validity of the algorithm implemented.
Le autorità normative aggiornano costantemente i requisiti di sicurezza per i voli in turbolenza degli elicotteri, per questi motivi la progettazione di un sistema di controllo di volo in grado di soddisfare li crescenti normative in fatto di sicurezza, è attualmente una delle maggiori sfide per le aziende aeronautiche. LEONARDO S.p.A., leader mondiale nella produzione di elicotteri, è interessato allo sviluppo di uno strumento innovativo in grado di stimare il livello di turbolenza presente durante il volo, utilizzando i dati di volo disponibili. Inoltre LEONARDO S.p.A. è interessato nello sviluppo di uno stimolo artificiale in grado di riprodurre sull'elicottero gli stessi effetti di una turbolenza atmosferica anche in condizioni climatiche dove le turbolenze atmosferiche sono assenti. Lo sviluppo dello stimolo proposto fornirà un valido strumento da utilizzare nel processo di certificazione, riducendo i costi e il tempo di sviluppo. Gli scopi della tesi sono lo sviluppo di uno strumento capace di stimare il livello di intensità di turbolenza atmosferica durante i voli e di progettare lo stimolo in grado di riprodurre sull'elicottero gli effetti di una turbolenza atmosferica. Inizialmente è stato condotto uno studio preliminare sui fenomeni di turbolenza atmosferica, sui modelli matematici utilizzati per riprodurlo e sull'attuale stato dell'arte riguardante gli stimatori dei disturbi. In questa prima sezione sono stati definiti i livelli di intensità della turbolenza atmosferica, utilizzando sia i modelli matematici che i riferimenti normativi. Dopo questo studio preliminare sono stati analizzati i modelli di elicottero disponibili, mostrando le caratteristiche principali e il confronto tra di loro. successivamente è stato presentato un nuovo metodo per accoppiare il modello LTI identificato dell'elicottero con il modello di turbolenza fisica. A partire dal nuovo modello di accoppiamento elicottero-turbolenza è stato sviluppato un algoritmo di stima dei disturbi, in grado di stimare la storia temporale dei disturbi agenti sul modello, con l'obiettivo di calcolare la densità spettrale di potenza, la potenza spettrale ed identificare l'intensità di turbolenza presente. Usando le informazioni sulla potenza spettrale della turbolenza atmosferica ottenuta attraverso la simulazione, è stato progettato uno stimolo capace di riprodurre la stessa curva di potenza spettrale della turbolenza simulata. Lo stimolo è progettato come un input fittizio sugli angoli di beccheggio, rollio, imbardata e le rispettive velocità angolari. L'algoritmo di stima è stato validato con successo nella simulazione, mentre la corretta iniezione degli stimoli è stata testata al simulatore di volo. Nell'ultima parte del lavoro sono stati testati tutti gli strumenti presentati in un volo dedicato. Gli stimoli sono stati iniettati e poi stimati attraverso l'algoritmo. I risultati ottenuti mostrano che sull'asse di rollio ed imbardata l'errore relativo tra il livello di potenza spettrale iniettato e successivamente stimato è inferiore al 10%, mentre sull'asse del beccheggio l'errore relativo aumenta fino al 19% L'algoritmo di stima dei disturbi è stato utilizzato per stimare il livello di intensità di turbolenza sperimentato durante un volo. I risultati ottenuti sono stati confermati dall'equipaggio, confermando la validità dell'algoritmo implementato.
Atmospheric turbulence estimation for helicopter flight control system design
OLIVO, NICCOLO'
2016/2017
Abstract
Normative authorities continuously update the safety requirements for helicopters turbulent flight, so the design of a flight control system capable to fulfill the increasing normative safety requirements is a challenge for companies. LEONARDO S.p.A. , a world leader in helicopters manufacturing, is interested into the development of a innovative tool capable to estimate the level of turbulence present during flight, using the flight data available. Furthermore LEONARDO S.p.A. is interested into the development of an artificial stimulus capable to reproduce on the helicopter the same effects of a real atmospheric turbulence also in calm air condition. The development of the stimulus will provide an upgrade in the campaign certification process, reducing cost and time of development. The purposes of the thesis is to develop a tool capable to estimate the atmospheric turbulence intensity level during flights and design the stimulus capable to reproduce the atmospheric turbulence effects. Initially has been performed a preliminary study on the atmospheric turbulence phenomena, on the mathematical models used to reproduce them and on the disturbance estimation state of the art. In this first section have been defined the level of intensity of the atmospheric turbulence, using both the mathematical models and the normative references of the effects onboard. After this preliminary study have been analyzed the available helicopter models, showing the main features and the comparison between them. A new method to couple the LTI helicopter identified model with the physical turbulence model has been presented. Starting from the new helicopter-turbulence coupling model has been developed a disturbance estimator algorithm, capable to estimate the time history of the disturbances acting on the model, with the goal to calculate power spectral density, spectral power and the identification of turbulence level of intensity. Using the information on the spectral power of the atmospheric turbulence obtained through simulation, has been designed a stimulus capable to reproduce the same spectral power curve of a simulated turbulence. The stimulus is designed as a fictitious additional input on the angular rates and attitudes. The estimation algorithm has been successfully evaluated in simulation, while the correct injection of the stimuli have been tested at the flight simulator. In the last part of the work has been tested all the presented tools in a dedicated flight. The stimuli have been injected and later estimated through the algorithm. The results obtained show that on the pitch and yaw axis the relative error between the spectral power level injected and successively estimated is restrained under the 10%, while on the roll axis the relative error increase up to 19%. The disturbances estimation algorithm has been used to estimate the intensity turbulence level experienced during a flight. The results obtained estimation are confirmed by the crew, confirming the validity of the algorithm implemented.| File | Dimensione | Formato | |
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