Design and simulation of a detect and avoid system for a rotary wing UAS

The present thesis treats the development and validation of a Detect and Avoid system for an unmanned rotorcraft. The model, implemented in the Simulink-Matlab environment, receives as input the position and speed of a flying object that is in collision way with the UAS and provides as output the avoidance manoeuvre of the aircraft. In the first part of the thesis the requirements and the section of the sensors for the detect and Avoid system is described. This part is organized as a System requirements Specification document and a comparison between different sensors’ proposals. The results of the first part create the starting point for the Detect and Avoid algorithm. In the second part of the thesis the algorithm and Simulink model of the DAA system are described. A particular attention is dedicated to the mathematical method and to the logic for the avoidance. In particular the logic for the avoidance manoeuvre is based on the aeronautical law. In the final part of the thesis the behaviour of the DAA system is tested by simulations and flight test. The simulations provide the feasibility of the avoidance in different situations of flight. Moreover, the flight test provides the validation of the DAA system in a real environment. The flight test confirms the results of the simulations, but it shows the dependence of the avoidance manoeuvre from the environment’s conditions. These observations lead to the production of some recommendations for the future developments of the model.

La presente tesi tratta lo sviluppo e la validazione di un sistema di Detect and Avoid per un velivolo ad ala rotante senza pilota. Il modello, implementato in ambiente Simulink-Matlab, riceve come input la posizione e la velocità di un oggetto volante che si trova in rotta di collisione con l'UAS e fornisce come output la manovra per evitare lo stesso. Nella prima parte della tesi vengono descritti i requisiti del sistema di Detect and Avoid e la sezione dei sensori per il sistema stesso. Questa parte è composta dal documento di specifica dei requisiti di sistema e da un confronto tra diverse proposte di sensori. I risultati della prima parte creano il punto di partenza per l'algoritmo Detect and Avoid. Nella seconda parte della tesi vengono descritti l'algoritmo e il modello Simulink del sistema DAA. Una particolare attenzione è dedicata al metodo matematico e alla logica interna utilizzata per la scelta della manovra da attuare. In particolare, la logica alla base della scelta delle manovre è basata sulla legge aeronautica in vigore. Nella parte finale della tesi viene testato il comportamento del sistema DAA tramite simulazioni e test di volo. Le simulazioni forniscono la fattibilità delle manovre in diverse situazioni di volo. Inoltre, il test di volo fornisce la convalida del sistema DAA in un ambiente reale. Il test di volo conferma i risultati delle simulazioni, ma mostra anche dei punti critici nel sistema di Detect and Avoid. Queste osservazioni portano ad alcune raccomandazioni per gli sviluppi futuri del modello.