In the aviation field, the stabilization during ground maneuvers represents a topic of discussion. Although lateral dynamic control algorithms exist for other means of transportation such as the Electronic Stability Control (ESC), less attention has been paid up to now in this sector. Considering the ground control, aircraft are equipped with Anti-Blockier Systems (ABS) but not with lateral dynamic control system. As for the ESC in the automotive field, it is interesting to introduce a directional control making use of the braking system actuation. Typically the aircraft operates in the center of the runway but the arising of critical lateral instabilities can drive the vehicle away, possibly incurring in dangerous events. These may happen as a consequence to a fault on the braking system or the presence of the PIO (Pilot Induced Oscillations) phenomenon that consists in a oscillating aircraft behaviour as effect of pilot reactions to lateral instabilities. The development of a suitable lateral control strategy that support the pilot can be exploited to prevent this kind of situations allowing the accomplishment of the maneuver in safety conditions. This thesis, which is the result of a collaboration between Politecnico di Milano and Leonardo S.p.A - Aircraft Division, aims at the development of a lateral control strategy for aeronautic applications to assist the aircraft pilot during braking maneuvers. In the particular case considered, the problem consists in the design of a control system that relies on the measurement of the yaw rate and the applied braking pressure. To investigate the dynamic behaviour of the aircraft, a multibody model of the Aermacchi M345 is developed by means of the Simscape simulation environment that allows to specify the exact features of the considered vehicle in order to accurately reconstruct its lateral behaviour during ground maneuvers. Furthermore, the yaw rate control structure is defined and properly integrated in the model with a special attention on the pilot contribution that affect the aircraft dynamic. In the simulation campaign, different braking maneuvers are performed in order to verify the effectiveness of the control strategy and its robustness against faults that may occur on the braking system.
Nel campo aereonautico, la stabilizzazione durante le manovre a terra rappresenta un attuale argomento di discussione. Sebbene esistano diversi algoritmi di controllo della dinamica laterale per altri mezzi di trasporto come il controllo elettronico della stabilità (ESC), fino ad oggi è stata prestata meno attenzione in questo settore. Considerando il controllo a terra, i velivoli sono equipaggiati con sistemi anti bloccaggio (ABS) ma non con controlli della dinamica laterale. Come avviene per l'ESC nel settore automobilistico, è interessante introdurre anche in questo scenario un controllo direzionale che faccia uso dell'impianto frenante. Generalmente i velivoli operano nel centro della pista d'atterraggio ma l'insorgere di forti instabilità laterali può far deviare il veicolo rischiando di incorrere in eventi potenzialmente pericolosi. Questi possono avvenire come conseguenza di un guasto all'impianto frenante o del fenomeno del PIO (Pilot Induced Oscillation) che consiste in un comportamento oscillatorio del velivolo come effetto della reazione del pilota ad instabilità laterali. L'implementazione di una appropriata strategia di controllo laterale che supporti il pilota può essere sfruttata per prevenire questo tipo di situazioni, permettendo il completamento della manovra in sicurezza. Questa tesi è il risultato di una collaborazione tra il Politecnico di Milano e Leonardo S.p.A. - Divisione Velivoli che mira allo sviluppo di una strategia di controllo laterale in applicazioni aereonautiche per assistere il pilota durante le manovre di frenata. Nello specifico caso considerato, il problema consiste nella progettazione di un sistema di controllo che impieghi le misurazioni della velocità di imbardata e la pressione di frenata applicata alle ruote. Per analizzare al meglio il comportamento dinamico del velivolo, è stato sviluppato un sistema multicorpo dell’Aermacchi M345 attraverso l'utilizzo dell'ambiente di simulazione Simscape, che permette di specificare con esattezza le caratteristiche del veicolo considerato al fine di ricostruire accuratamente il suo comportamento laterale durante le manovre a terra. Successivamente è stata definita la struttura del controllore sulla velocità di imbardata la quale è stata integrata nel modello multicorpo con particolare attenzione al contributo del pilota che può influenzare fortemente la dinamica del velivolo. Nella sessione di simulazione sono state eseguite diverse manovre di frenata con lo scopo di verificare l'efficacia della strategia di controllo e la sua robustezza rispetto ai possibili guasti che possono verificarsi sull'impianto frenante.
Directional control of an aircraft via differential braking
PAPI, LORENZO
2018/2019
Abstract
In the aviation field, the stabilization during ground maneuvers represents a topic of discussion. Although lateral dynamic control algorithms exist for other means of transportation such as the Electronic Stability Control (ESC), less attention has been paid up to now in this sector. Considering the ground control, aircraft are equipped with Anti-Blockier Systems (ABS) but not with lateral dynamic control system. As for the ESC in the automotive field, it is interesting to introduce a directional control making use of the braking system actuation. Typically the aircraft operates in the center of the runway but the arising of critical lateral instabilities can drive the vehicle away, possibly incurring in dangerous events. These may happen as a consequence to a fault on the braking system or the presence of the PIO (Pilot Induced Oscillations) phenomenon that consists in a oscillating aircraft behaviour as effect of pilot reactions to lateral instabilities. The development of a suitable lateral control strategy that support the pilot can be exploited to prevent this kind of situations allowing the accomplishment of the maneuver in safety conditions. This thesis, which is the result of a collaboration between Politecnico di Milano and Leonardo S.p.A - Aircraft Division, aims at the development of a lateral control strategy for aeronautic applications to assist the aircraft pilot during braking maneuvers. In the particular case considered, the problem consists in the design of a control system that relies on the measurement of the yaw rate and the applied braking pressure. To investigate the dynamic behaviour of the aircraft, a multibody model of the Aermacchi M345 is developed by means of the Simscape simulation environment that allows to specify the exact features of the considered vehicle in order to accurately reconstruct its lateral behaviour during ground maneuvers. Furthermore, the yaw rate control structure is defined and properly integrated in the model with a special attention on the pilot contribution that affect the aircraft dynamic. In the simulation campaign, different braking maneuvers are performed in order to verify the effectiveness of the control strategy and its robustness against faults that may occur on the braking system.| File | Dimensione | Formato | |
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