Design of advanced wheel-speed-based anti-skid control strategies for aircraft

Anti-Blockier System (ABS) are widely used in the aeronautic field. Differently from other means of transportation (e.g. cars or trucks) the ABS system results to be active in every braking manoeuvre. Indeed, in each manoeuvre, the airplane must decelerate from elevated velocity in very short distances. Thus, the ABS is employed so to exploit the maximum braking capability of the road friction condition, and to reach the necessary deceleration value. This thesis work, which is the result of a collaboration between Politecnico di Milano and Leonardo S.p.A - Aircraft Division, aims at the development of ABS strategies for aeronautic application to assist the aircraft pilot during the braking manoeuvre. In the particular case considered, the problem consists in the design of anti-skid control strategies which rely only on the measurement of both the wheel rotational speed and the applied braking pressures. A possible implementation of such control strategies generally makes use of threshold-deceleration-based algorithms, in which the entity of the braking pressure (control variable) is computed to constraint the deceleration signal within prescribed values. In this thesis, two different control strategies are proposed. First of all, a deceleration-based control system has been developed. Differently from preexisting applications, this control strategy continuously tracks reference deceleration values and it is equipped with different components to guarantee robustness against both unknown parameters and external disturbances. The designed control strategy is also tested on a customized simulation campaign to verify its performances. Secondly, a slip-based control strategy is implemented. Two different slip-based approaches are discussed. The first one, which relies on the real value of the slip, and a second which makes use of an estimate of the slip value computed by means of a Sliding Mode Observer. For the development of the control strategies presented in this thesis the Aermacchi M345 has been used as the reference aircraft. These strategies have been realized and tested on a six degrees of freedom model of the M345 provided by the company in a MATLAB/Simulink Environment.

I sistemi anti bloccaggio (ABS) sono largamente utilizzati in campo aeronautico. A differenza degli altri mezzi di trasporto (come macchine o autocarri), negli aerei l’ABS risulta attivo ad ogni frenata. Infatti, in ogni manovra, l’aereo deve decelerare dalle alte velocità di partenza in distanze ristrette. L'ABS è dunque utilizzato per sfruttare al massimo la capacità di frenata del velivolo in ogni condizione dell’asfalto e per raggiungere quindi la voluta decelerazione. Questo lavoro di tesi, frutto della collaborazione tra il Politecnico di Milano e Leonardo S.p.A - Aircraft Division, mira allo sviluppo di strategie ABS per applicazioni aeronautiche, con lo scopo di assistere il pilota durante la frenata. Nel caso particolare considerato, il problema consiste nella realizzazione di strategie di controllo di frenata che si basano esclusivamente sulla misura della velocità di rotazione delle ruote e delle pressioni applicate ai freni. Una possibile implementazione di tali strategie di controllo si avvale generalmente di algoritmi costruiti tramite multiple soglie basate sulla decelerazione, in cui il valore della pressione dei freni, variabile di controllo del sistema, viene calcolato per vincolare il segnale di decelerazione entro i limiti stabiliti. In questa tesi vengono proposte due diverse strategie di controllo. In primo luogo, è stato sviluppato un sistema di controllo basato sulla decelerazione. A differenza di algoritmi consultabili in letteratura, la strategia sviluppata si basa su un controllore in anello chiuso sulla decelerazione e su strutture di supporto che ne garantiscono la robustezza sia rispetto a parametri incogniti del velivolo che a disturbi esterni. Tale strategia è stata poi collaudata su un insieme di manovre per verificarne le prestazioni. In secondo luogo, è stata implementata una strategia di controllo dello slittamento. Due differenti approcci basati sullo slip sono stati analizzati. Il primo utilizza il valore reale dello slip mentre il secondo si avvale di una stima dello stesso calcolata tramite uno Sliding Mode Observer. Per lo sviluppo delle strategie di controllo presentate in questa tesi è stato utilizzato come velivolo di riferimento l’Aermacchi M345. Questi sistemi di controllo sono stati però realizzati e testati su un modello a sei gradi di libertà dell’aereo, sviluppato in MATLAB/Simulink e fornito dall'azienda.