Longitudinal and lateral ground handling control of over-actuated aircraft

Although Anti-Lock Braking Systems are widely established in aircraft to maximize braking performances, not much attention has been paid in enhancing aircraft lateral dynamics during on-ground motion. On one hand, the Antiskid Controller is commonly activated during the entire braking maneuver and hence has full control authority on the aircraft longitudinal dynamics. On the other hand, the pilot freely operates on the aircraft lateral dynamics through nose wheel steering and rudder. Inexperience, adverse environmental conditions and carelessness might eventually lead to aggressive pilot commands, destabilizing the lateral dynamics and, as a consequence, producing undesired and unintentional oscillations. The aim of this Thesis, result of the collaboration between Politecnico di Milano and Leonardo S.p.A. - Aircraft Division, is the development of on-ground longitudinal and lateral control strategies in order to keep the aircraft safely under control when the pilot is in the loop and also in a fully autonomous context, when the pilot does not intervene. The problem has been handled considering that the aircraft lateral dynamics can be excited via differential brake, nose wheel steering and rudder. First, gain-scheduled slip-based and deceleration-based Antiskid Controllers are developed, in such a way to exploit as much as possible the available on-ground friction. Then, a virtual pilot model is proposed, and is tuned in order to track the centerline of the runway by applying all the available control inputs. Finally, a control architecture is developed, focusing on how to allocate the stabilizing control action to the available actuators. The developed control strategies are evaluated in a MATLAB-Simulink environment, in which an accurate rigid body model validated against experimental data is implemented. Some preliminary results about Hardware-in-the-Loop experiments are also provided, in which the human pilot shall handle asymmetric conditions on the runway in Real Time.

Sebbene il sistema di frenata antibloccaggio sia ampiamente consolidato negli aeromobili per massimizzare le prestazioni di frenata, non è stata dedicata altrettanta attenzione al potenziamento della dinamica laterale dell'aeromobile durante operazioni su pista. Da un lato, il controllore antislittamento è comunemente attivo durante l'intera manovra di frenata e quindi ha piena autorità di controllo sulla dinamica longitudinale dell'aeromobile. Dall'altro lato, il pilota opera liberamente sulla dinamica laterale dell'aeromobile tramite lo sterzo e il rudder. Inesperienza, condizioni ambientali avverse e disattenzione potrebbero alla fine portare a comandi aggressivi da parte del pilota, destabilizzando la dinamica laterale e, di conseguenza, producendo oscillazioni indesiderate e non intenzionali. L'obiettivo di questa tesi, frutto della collaborazione tra il Politecnico di Milano e Leonardo S.p.A. - Divisione Velivoli, è lo sviluppo di strategie di controllo longitudinali e laterali a terra per mantenere l'aeromobile in sicurezza sotto controllo, sia in modalità manuale, quando il pilota interviene costantemente, sia in modailtà autonoma, quando il pilota non è coinvolto. Il problema è stato gestito considerando che la dinamica laterale dell'aeromobile può essere eccitata tramite freno differenziale, sterzo e rudder. Inizialmente vengono sviluppati controllori antislittamento schedulati basati su slittamento e basati su decelerazione, in modo da sfruttare il più possibile l'attrito disponibile a terra. Successivamente, viene proposto un modello del pilota virtuale, tarato per seguire la linea di mezzeria della pista applicando tutti gli input di controllo disponibili. Infine, viene sviluppata un'architettura di controllo, focalizzandosi sul problema dell'allocazione del controllo e su come allocare l'azione di controllo stabilizzante agli attuatori disponibili. Le strategie di controllo sviluppate sono valutate nell'ambiente MATLAB-Simulink, in cui è implementato un accurato modello di corpo rigido validato rispetto ai dati sperimentali. Vengono forniti anche alcuni risultati preliminari su esperimenti Hardware-in-the-Loop, in cui il pilota umano deve gestire condizioni asimmetriche sulla pista in tempo reale.