Digital twin for health monitoring of an aircraft's elevon

The aim of this work is to apply some of the most advanced technology available nowadays to perform the health monitoring of an unmanned aerial vehicle. The focus is on the elevon subassembly which controls the vehicle trajectory during the flight. It is composed of a kinematic assembly actuated by a servomotor. This work starts introducing the working framework and the algorithms applied in the elevon’s health usage and monitoring system. Then the aerial system is analyzed and using the data given by the manufacturer, the digital twin model of the elevon assembly is built in the Simulink environment. The realized model contains information on both motor and control unit performances and the parts’ mechanical characteristics, necessary to simulate the dynamic response with the multibody. At this point the work can be divided into two parts: in the first part, some tests performed on the ground are considered, while in the second part in-flight case is studied. The first part of the work simulates the model during a ground test phase for which the data were provided by the manufacturer. At this point the model is simulated in both damaged and undamaged conditions, introducing different type and severity of damages. The structure responses to these damages are measured using some virtual sensors located inside the digital twin. The collected signals form the database on which the monitoring system is based. This system is composed of the following steps: anomaly detection, damage type identification, and damage quantification. Then, basing on the monitoring results the residual useful life of the structure is measured through some prognostic tools. In the second part of the work, the aerodynamic interactions between the elevon and the environment are considered. Also, in this case, the data related to the flight parameters and the servomotor parameters during the test were provided by the manufacturer. The digital twin in this case takes into consideration both internal mechanical properties of the components, as it was for the ground test, and the forces generated on the elevon during the test. This allows to model in a better way the in-flight behavior of the real elevon subassembly and, therefore, predict its possible response.

L’obiettivo del presente lavoro è quello di applicare le più avanzate tecnologie di monitoraggio disponibili su un velivolo a pilotaggio remoto. Il lavoro è incentrato sullo studio del sottoassieme elevone, che controlla la traiettoria di volo. Tale sottoassieme è composto da un sistema cinematico attuato da un servomotore. L’elaborato inizia fornendo una panoramica sui velivoli a pilotaggio remoto e introducendo gli algoritmi di monitoraggio. L’intero sistema del velivolo a pilotaggio remoto viene quindi analizzato, considerando i dati forniti dal produttore del drone. Ottenute le informazioni riguardo al sistema, in Simulink, viene realizzato il digital twin del sottosistema elevone. Il modello così realizzato contiene sia le informazioni relative al sistema elettromeccanico, composto da servomotore e centralina, sia le informazioni delle caratteristiche meccaniche dei componenti. Queste informazioni vengono utilizzate per realizzare la dinamica dell’elevone con un modello multibody. A questo punto è possibile dividere il successivo lavoro in due parti: in una prima parte il modello simula alcuni test realizzati a terra; invece, nella seconda parte viene simulata la risposta del sottoassieme considerando la condizione in volo. Nella prima parte viene simulato il modello durante una fase di test a terra, i dati relativi a tale test sono stati forniti dal produttore del velivolo. Utilizzando i sensori virtuali presenti nel modello e simulando il digital twin sia in condizione sana sia in diverse condizioni di danneggiamento (tipo e dimensioni) è stato possibile realizzare un database delle differenti risposte misurate dai sensori virtuali. I segnali che costituiscono il database sono stati quindi utilizzati per realizzare il sistema di monitoraggio. Il monitoraggio prevede le seguenti fasi: identificazione dell’anomalia, identificazione del tipo di danneggiamento e quantificazione del danneggiamento. Basandosi sui risultati del monitoraggio ed utilizzando alcuni metodi di prognosi, è possibile stimare la vita utile residua del componente prima di incorrere a rottura. Nella seconda parte del lavoro vengono introdotte nel digital twin le interazioni aerodinamiche tra l’elevone e l’ambiente. Anche in questo caso i parametri di volo e controllo sono stati forniti dal produttore del velivolo. Il digital twin in questo caso considera sia le caratteristiche meccaniche interne del cinematismo sia l’effetto delle forze aerodinamiche agenti sulla struttura. Questo permette di modellare in modo migliore il comportamento in volo dell’elevone reale e quindi predire la sua risposta.