Application of a calibration matrix approach for load monitoring of an unmanned aerial vehicle

Load monitoring is one of the fundamental components of structural health monitoring (SHM) having the scope of estimating real time loads applied on a structure. In the present study, the load identification is achieved through a linear approach based on calibration matrices named Calibration Matrix Approach. The real time loads reconstruction as well as the full field strain is achieved by means of the ordinary least squares minimization method (OLS) of an error defined as the difference between measured strains in discrete positions and a numerical formulation of them, function of the load set that has to be reconstructed. This study confirms that once the loads have been correctly reconstructed, the method allows to calculate also the full field strains, by which it will be possible to obtain the full field stresses, in almost every point of every complex structures. Performances related to the application of this method to real physical structures are analyzed, some parameters are defined in order to facilitate future studies trying to better define the way this algorithm could be apply to any general structure such as sensitivity analysis, error propagation, noisy behavior. This has been achieved both accounting for numerical results, so considering a virtual environment, and experimental results obtained through an experiment run by the Poland Air Force Institute of Technology, sensors used to measure the strains were two types of strain gauges (SG). The finite element model considered in this study is of an unmanned aerial vehicle (UAV), the Hornet, and calculations and application of the method are considered just on a wing of the drone. Particular attention is made to find a way to match the numerical model with the physical one discussing what can be made in case there is apparently no correspondence between the two. Considerations related to the possibility of using this algorithm, that is prerogative of linear systems, also for non-linear behaving system is at the end presented, suggesting the future possibility to integrate the response to static loads applied with a dynamic response.

Il monitoraggio del carico è una delle componenti fondamentali del monitoraggio dello stato di salute strutturale (SHM) che ha lo scopo di stimare i carichi in tempo reale applicati su una struttura. Nel presente studio, l'identificazione del carico è ottenuta attraverso un approccio lineare basato su matrici di calibrazione denominate Calibration Matrix Approach. La ricostruzione dei carichi in tempo reale così come la deformazione a pieno campo è ottenuta mediante il metodo ordinario di minimizzazione dei minimi quadrati (OLS) di un errore definito come la differenza tra le deformazioni misurate in posizioni discrete e una loro formulazione numerica, funzione del carico set che deve essere ricostruito. Questo studio conferma che una volta ricostruiti correttamente i carichi, il metodo permette di calcolare anche le deformazioni a pieno campo, con le quali sarà possibile ottenere le sollecitazioni a pieno campo, in quasi ogni punto di ogni struttura complessa. Vengono analizzate le prestazioni legate all'applicazione di questo metodo a strutture fisiche reali, vengono definiti alcuni parametri al fine di facilitare studi futuri cercando di definire meglio il modo in cui questo algoritmo potrebbe essere applicato a qualsiasi struttura generale come analisi di sensibilità, propagazione degli errori, comportamento rumoroso . Ciò è stato ottenuto sia tenendo conto dei risultati numerici, quindi considerando un ambiente virtuale, sia dei risultati sperimentali ottenuti attraverso un esperimento condotto dal Poland Air Force Institute of Technology, i sensori utilizzati per misurare le deformazioni erano due tipi di estensimetri (SG). Il modello agli elementi finiti considerato in questo studio è di un veicolo aereo senza pilota (UAV), l'Hornet, e i calcoli e l'applicazione del metodo sono considerati solo su un'ala del drone. Particolare attenzione viene posta nel trovare un modo per far coincidere il modello numerico con quello fisico discutendo cosa si può fare nel caso in cui non ci sia apparentemente corrispondenza tra i due. Al termine vengono presentate considerazioni relative alla possibilità di utilizzare questo algoritmo, appannaggio dei sistemi lineari, anche per sistemi a comportamento non lineare, suggerendo la futura possibilità di integrare la risposta ai carichi statici applicati con una risposta dinamica.