Model-based design of a generic automatic flight control system for helicopter flight simulation training devices

Flight simulation technology has come a long way in recent years, and the field continues to develop at a rapid pace. As a provider of innovative software solutions for aviation training, TXT e-solutions S.p.A. is committed to incorporating the latest high-tech innovations into their products. One area of interest for the company is the use of Model-Based Design in the development of flight simulators, a growing field with ongoing research aimed at improving accuracy and reducing costs, development time, and maintenance time. To investigate the potential of Model-Based Design, the company asked to analyze and improve a pre-existing model of a generic automatic flight control system. The technical methodologies and implementation issues that arose during this investigation are presented in this research work. The company provided input requirements for the model development, which are all analyzed and verified in this thesis. The main outcome produced is a Simulink model of a generic automatic flight control system that includes the most important autopilot components and their control logics. These components include Stability Augmentation System Mode (SAS), Attitude Hold Mode (ATT), Turn Coordinator Functionality (TC), Indicated Airspeed Hold Mode (IAS), Heading Hold Mode (HDG), Barometric Altitude Hold Mode (ALT), Radar Height Hold Mode (RHT), and Hover Hold Mode (HOV). An external auto-tuning Matlab script is also produced to identify the optimal controllers parameters for the autopilot control system, based on specific project requirements in input. Additionally, the model was designed with high levels of generality and customisation, allowing quickly adaptation of the autopilot parameters and characteristics to the specific helicopter. The performances of the automatic flight control system were tested and validated against that achievable with a full flight simulator level D. Therefore, the results obtained demonstrate that the Model-Based Design approach is reliable even when dealing with more complex autopilot structures as the one presented in this work.

La tecnologia della simulazione di volo ha fatto passi da gigante negli ultimi anni e il settore continua a svilupparsi a ritmo sostenuto. In qualità di fornitore di soluzioni software innovative per l’addestramento aeronautico, TXT e-solutions S.p.A. si impegna a incorporare le ultime innovazioni high-tech nei propri prodotti. Un’area di interesse per l’azienda è l’uso del Model-Based Design nello sviluppo dei simulatori di volo, un campo in crescita con ricerche continue volte a migliorare l’accuratezza e a ridurre i costi, i tempi di sviluppo e di manutenzione. Per indagare le potenzialità del Model-Based Design, l’azienda ha chiesto di analizzare e migliorare un modello preesistente di un generico sistema di controllo automatico del volo. Le metodologie tecniche e i problemi di implementazione emersi durante lo studio sono presentati in questo lavoro di ricerca. L’azienda ha fornito alcuni requisiti in input per lo sviluppo del modello, i quali sono stati tutti analizzati e verificati in questa tesi. Il risultato principale prodotto in questo lavoro è un modello Simulink che include i componenti più importanti dell’autopilota e le loro logiche di controllo. Questi componenti includono lo Stability Augmentation System Mode (SAS), l’Attitude Hold Mode (ATT), il Turn Coordinator Functionality (TC), l’ Indicated Airspeed Hold Mode (IAS), l’ Heading Hold Mode (HDG), il Barometric Altitude Hold Mode (ALT), il Radar Height Hold Mode (RHT) e l’ Hover Hold Mode (HOV). È stato prodotto anche uno script esterno di autotuning in ambiente Matlab, al fine di identificare i parametri ottimali dei controllori del sistema di controllo dell’autopilota, sulla base di specifici requisiti di progetto in ingresso. Inoltre, il modello è stato progettato con alti livelli di generalità e personalizzazione, consentendo un rapido adattamento dei parametri e delle caratteristiche dell’autopilota a seconda dello specifico elicottero. Le prestazioni del sistema di controllo automatico di volo sono state testate e convalidate rispetto a quelle ottenibili con un simulatore di volo full flight di livello D. Pertanto, i risultati ottenuti dimostrano che l’approccio Model-Based Design è affidabile anche quando ci si occupa di strutture di autopilota più complesse come quella presentata nel presente lavoro.