Development of a non-invasive pilot inceptor force sensor flight simulation applications

The objective of this Ph.D. thesis is to develop and evaluate an innovative sensor system that is seamlessly integrated into the control stick of a helicopter, providing a real-time measurement of pilots' hand activity. The system is designed to monitor human-machine interactions in the helicopter flight field and to detect adverse pilot-helicopter interactions that may arise due to excessive workload or fatigue. The proposed sensor system uses a combination of an optical working principle and forces estimations algorithms to measure the pilot's muscle activity and estimate forces on the control stick. The sensors are directly in contact with the pilot's hand and are used to detect its activity, which could be indicative of the pilot's physical and cognitive workload. The data collected by the sensors are processed and shown in real-time using an advanced user interface that enables the system to provide accurate and timely feedback to the pilot. The system can be calibrated to individual pilots and can be used to monitor the pilot's activity in real time during flight. To evaluate the performance of the proposed system, both laboratory and flight simulation tests were conducted. In the laboratory, the sensing elements are characterized from the working principle level up to the overall prototype. The results showed that the proposed sensor system is able to provide accurate and reliable feedback to the pilot. In the flight simulation tests, the proposed sensor system was installed in multiple simulation facilities, and test pilots were recruited to evaluate the system's performance during actual flight operations. The test pilots performed a series of flight maneuvers, while their hands activity was measured using the proposed sensor system. The results of the flight tests demonstrated the feasibility and effectiveness of the proposed sensor system in a real-world helicopter flight environment. In conclusion, the proposed sensor system represents a significant advance in the field of human-machine interaction monitoring in the helicopter flight field. The system provides a real-time measurement of pilot forces and could be used to detect adverse pilot-helicopter interactions that may lead to potentially catastrophic outcomes. The results of this research demonstrate the feasibility and effectiveness of the proposed sensor system and highlight its potential for improving the safety and efficiency of helicopter flight operations.

L'obiettivo di questa tesi di dottorato è sviluppare e valutare un sistema di sensori innovativo che si integra perfettamente nella cloche di controllo di un elicottero, fornendo una misurazione in tempo reale dell'attività delle mani dei piloti. Il sistema è stato progettato per monitorare le interazioni uomo-macchina nel campo di volo degli elicotteri e per rilevare le interazioni avverse pilota-elicottero che possono verificarsi a causa di un eccessivo carico di lavoro o di affaticamento. Il sistema di sensori proposto utilizza una combinazione di un principio di funzionamento ottico e di algoritmi di stima delle forze per misurare l'attività muscolare del pilota e stimare le forze sulla cloche. I sensori sono direttamente a contatto con la mano del pilota e vengono utilizzati per rilevarne l'attività, che potrebbe essere indicativa del carico di lavoro fisico e cognitivo del pilota. I dati raccolti dai sensori vengono elaborati e visualizzati in tempo reale tramite un'interfaccia utente avanzata che consente al sistema di fornire un feedback accurato e tempestivo al pilota. Il sistema può essere calibrato sui singoli piloti e può essere utilizzato per monitorare l'attività del pilota in tempo reale durante il volo. Per valutare le prestazioni del sistema proposto, sono stati condotti test di laboratorio e di simulazione di volo. In laboratorio, gli elementi di rilevamento sono stati caratterizzati a partire dal principio di funzionamento fino al prototipo completo. I risultati hanno dimostrato che il sistema di sensori proposto è in grado di fornire un feedback accurato e affidabile al pilota. Nei test di simulazione di volo, il sistema di sensori proposto è stato installato in diverse strutture di simulazione e sono stati reclutati piloti di prova per valutare le prestazioni del sistema durante le operazioni di volo reali. I piloti di prova hanno eseguito una serie di manovre di volo, mentre l'attività delle loro mani veniva misurata con il sistema di sensori proposto. I risultati dei test di volo hanno dimostrato la fattibilità e l'efficacia del sistema di sensori proposto in un ambiente di volo elicotteristico reale. In conclusione, il sistema di sensori proposto rappresenta un progresso significativo nel campo del monitoraggio dell'interazione uomo-macchina nel settore del volo degli elicotteri. Il sistema fornisce una misurazione in tempo reale delle forze del pilota e potrebbe essere utilizzato per rilevare interazioni pilota-elicottero avverse che potrebbero portare a esiti potenzialmente catastrofici. I risultati di questa ricerca dimostrano la fattibilità e l'efficacia del sistema di sensori proposto e ne evidenziano il potenziale per migliorare la sicurezza e l'efficienza delle operazioni di volo degli elicotteri.