Active control of aircraft lateral dynamics for safety and maneuverability enhancement

Differently from the automotive field, where Electronic Stability Control (ESC) is widely adopted, very few researches focus on aircraft on-ground stability automatic control and the aircraft is controlled manually by the pilot to a large extent. In aeronautics, the Anti-Lock Braking System (ABS) is, in general, activated on the whole braking manoeuvre and the action of the pilot, in governing the aircraft lateral motion, can lead to critical unstability endangering the aircraft maneuverability. Therefore, a reliable ESC must be available to compensate the yaw-rate rotation that can potentially drift away the aircraft from its trajectory, maintaining always the aircraft in a safe situation. This Thesis, result of the collaboration between Politecnico di Milano and Leonardo S.p.A. - Aircraft Division, aims at developing both lateral and longitudinal control strategies enhancing the vehicle safety and maneuverability, especially in those conditions in which a hazardous lateral movement is induced by asymmetric faulty conditions concerning the landing gears. First, a standard ABS structure is proposed to ensure performing braking manoeuvres, minimizing the braking distance. Then, a model of the pilot is implemented to represents human control behavior via differential brake. Finally, two versions of ESC, one acting by means of the ABS and the other one by overriding it, are developed to assist the pilot when unstability conditions are detected. The evaluation of the control systems is performed in a highly accurate MATLAB-Simulink rigid body model simulation environment validated against experimental data. In the simulation campaign different braking maneuvers, in faulty conditions, are performed in order to verify the effectiveness of the lateral stability control. The faulty conditions interest the braking system, shock absorber and the road-tire contact.

A differenza del settore automobilistico, dove è ampiamente adottato il controllo elettronico della stabilità (ESC), pochissime ricerche si concentrano sul controllo automatico della stabilità a terra dell'aeromobile e il velivolo è controllato manualmente dal pilota in larga misura. Nel campo aeronautico, il sistema di frenata antibloccaggio (ABS) è, in generale, attivato su tutta la manovra di frenata e l'azione del pilota, nel governare il movimento laterale del velivolo, può portare a instabilità critiche che mettono a rischio la manovrabilità dell'aeromobile. Pertanto, deve essere disponibile un ESC affidabile per compensare la velocità di imbardata che può potenzialmente allontanare l'aereo dalla sua traiettoria, mantenendo sempre l'aereo in una situazione sicura. Questa tesi, frutto della collaborazione tra Politecnico di Milano e Leonardo SpA - Divisione Velivoli, si propone di sviluppare strategie di controllo sia laterale che longitudinale che migliorino la sicurezza e la manovrabilità del veicolo, soprattutto in quelle condizioni in cui un movimento laterale pericoloso è indotto da condizioni asimmetriche di difetto riguardanti i carrelli di atterraggio. Per prima cosa viene proposta un' architettura ABS comune per garantire performanti manovre di frenata, riducendo al minimo lo spazio percorso. Quindi, viene implementato un modello del pilota per rappresentare il comportamento di controllo umano tramite il freno differenziale. Infine, vengono sviluppate due versioni di ESC, una che agisce tramite l'ABS e l'altra che lo scavalca, per assistere il pilota quando vengono rilevate condizioni di instabilità. La valutazione dei sistemi di controllo viene eseguita in un ambiente di simulazione MATLAB-Simulink usando un modello rigido altamente sofisticato e validato rispetto ai dati sperimentali. Nella campagna di simulazione vengono eseguite diverse manovre di frenata, in condizioni di anomalia, al fine di verificare l'efficacia del controllo di stabilità laterale. Le condizioni difettose interessano l'impianto frenante, l'ammortizzatore e il contatto strada-pneumatico.