Optimization and integration of an unmanned aerial system

The use of Unmanned Aerial Systems (“UAS”s) is increasing over many different application fields. UAS is system composed of three elements: a remotely controlled aircraft, a ground control unit (“GCR”) and a radio frequency link between the two. The Unmanned Aerial Vehicle (“UAV”) is commonly referred as “drone”. The UAV can have different architectures and geometries depending on the operating scenario and on the mission to be accomplished. Building techniques, hardware and software for this aircraft category are constantly improving, allowing the UAS to perform missions in a fully autonomous manner and to provide help in many different tasks. The basic functions of the aircrafts: to fly, to navigate and to ensure the safety of the pilot and the overfly third parties are gradually becoming a task in charge of the control system of the SAPR. Strong interest is placed over the fixed wing UAV because they can accomplish medium to long range missions and carry bigger and heavier payloads. With fixed wing UAV the user can accomplish many missions that cannot be performed with different UAV architectures. The only drawback is the need to use a larger area for landing and taking off. The purpose of this work is to define the mission requirements and, starting form a given preliminary design of the fixed wing UAV, to build a UAS with integrated onboard and ground systems, to make flight tests in order to evaluate the robustness of the whole UAS, in cooperation with a company that operates in the aeronautic industry. The use of Unmanned Aerial Systems (“UAS”s) is increasing over many different application fields. UAS is system composed of three elements: a remotely controlled aircraft, a ground control unit (“GCR”) and a radio frequency link between the two. The Unmanned Aerial Vehicle (“UAV”) is commonly referred as “drone”. The UAV can have different architectures and geometries depending on the operating scenario and on the mission to be accomplished. Building techniques, hardware and software for this aircraft category are constantly improving, allowing the UAS to perform missions in a fully autonomous manner and to provide help in many different tasks. The basic functions of the aircrafts: to fly, to navigate and to ensure the safety of the pilot and the overfly third parties are gradually becoming a task in charge of the control system of the SAPR. Strong interest is placed over the fixed wing UAV because they can accomplish medium to long range missions and carry bigger and heavier payloads. With fixed wing UAV the user can accomplish many missions that cannot be performed with different UAV architectures. The only drawback is the need to use a larger area for landing and taking off. The purpose of this work is to define the mission requirements and, starting form a given preliminary design of the fixed wing UAV, to build a UAS with integrated onboard and ground systems, to make flight tests in order to evaluate the robustness of the whole UAS, in cooperation with a company that operates in the aeronautic industry. The first step is to define the mission requirements by analyzing the intended use of the system, followed by optimization of the given preliminary design; the work continues in the construction and integration phases, after choosing the building technologies and hardware and software implementation of the entire system. The final phase will consider optimizing logic controls in order to manage autonomous flights and the to assess robustness and flight quality of the system, while granting ease of use.

L’uso di sistemi aeromobili a pilotaggio remoto (“SAPR”) si sta allargando ai più disparati campi applicativi. Quando si parla di SAPR, in inglese UAS, si fa riferimento ad un sistema composto da tre elementi: un aeromobile a pilotaggio remoto, un’unità di controllo terrestre e un sistema di collegamento tra i due. L’aeromobile a pilotaggio remoto (“APR”) , è quello che viene spesso chiamato “drone” e può avere geometrie e architetture completamente differenti a seconda dello scenario operativo e della missione che dovrà svolgere. Grazie all’evoluzione delle tecnologie costruttive, dell’hardware e del software questi mezzi possono essere in grado di compiere missioni in maniera completamente autonoma o fornire un valido aiuto per numerosi lavori. Tutti i SAPR sono dotati di una logica di controllo che rende automatiche almeno una parte delle funzioni base dei velivoli: volare, navigare, garantire la sicurezza dell’operatore e del terzo sorvolato. Una categoria che ricopre un ruolo di particolare interesse sono gli aeromobili a pilotaggio remoto (APR) ad ala fissa, poiché permettono di effettuare missioni a medio e lungo raggio e trasportare un “carico pagante” anche di notevole entità. L’utilizzo di un APR ad ala fissa permette dunque di svolgere una serie di missioni precluse agli altri tipi di APR, con l’unico inconveniente di necessitare una zona più estesa per le operazioni di decollo e atterraggio. Lo scopo della tesi è quello di definire i requisiti di missione e, partendo da un design preliminare di un APR ad ala fissa, costruire un SAPR integrando i sistemi di bordo e di terra ed effettuare prove di volo al fine di valutare la robustezza del SAPR nel suo complesso in collaborazione con una azienda del settore aeronautico. Il primo processo sarà dunque quello di definire i requisiti di missione andando ad indagare sul campo di applicazione finale del sistema, seguito da un processo di ottimizzazione del design preliminare fornito dall’azienda, per poi passare alla fase di costruzione e integrazione previa scelta delle tecnologie costruttive e di implementazione hardware e software dell’intero sistema. La fase finale riguarderà l’ottimizzazione dei parametri in carico alla logica di controllo al fine di effettuare voli autonomi e, successivamente valutarne la robustezza e le qualità di volo del sistema garantendo la facilità di utilizzo.