Autonomous ground navigation for an over-actuated aircraft

Despite being a well known aspect in the automotive industry, the lateral stability control problem is given little attention in the aeronautics counterpart, where the pilot is asked to control the aircraft’s lateral dynamics in on-ground scenarios. During on-ground maneuvers, such as landings and rejected take offs, the pilot’s task is to slow down the aircraft while constantly tracking the runway center line, but wrong commands, system faults, or non-nominal environmental conditions might lead to asymmetries in the aircraft, destabilizing its lateral dynamics, in the form of undesired and dangerous oscillations. This Thesis, the result of a collaboration between Politecnico di Milano and Leonardo S.p.A. - Aircraft Division, aims to develop an on-ground longitudinal and lateral control strategy that reduces the pilot workload at all times. The high fidelity aircraft simulator used in this thesis runs in a Matlab Simulink environment and has been developed and validated against experimental data in several previous works. First, an innovative control allocation capable of distributing efficiently the control input to different actuators, namely brakes, steer, and rudder is developed. Then, a robust pressure allocation logic is proposed to merge both longitudinal and lateral control tasks with the pilot in the loop. Such architecture requires inferring the state of the anti-skid system, whose internals may be unknown, thus a validated and vendor-independent strategy is offered. Next, a steer-fault-tolerant, gain-scheduled yaw-rate regulator is designed, to keep the aircraft under control whenever lateral instability is detected. Real-time capabilities are also tested, creating an interface for Hardware-in-the-Loop experiments using a visual engine. Furthermore, a first step into autonomy guidance features is made, considering static path generation problems and taxiing scenarios without pilot intervention. Finally, a Global Positioning System (GPS)-aided localization module is built and validated in isolation, for a future merging with the autonomous layer.

Nonostante sia un aspetto ben noto nell’industria automotive, al problema di controllo di stabilità nel campo aeronautico è data ben poca importanza, ove il compito di controllare la dinamica laterale del velivolo è affidato al pilota. Durante manovre a terra, come atterraggi o decolli rifiutati, il compito del pilota è di rallentare il velivolo mantenendo come riferimento la la linea centrale della pista. Tuttavia, dei comandi sbagliati, guasti generici o pista in condizioni non nominali possono portare ad avere asimmetrie nel velivolo che destabilizzano la sua dinamica laterale. Questa tesi è il risultato di una collaborazione tra Politecnico di Milano e Leonardo S.p.A. Divisione Velivoli ed è volta allo sviluppo di un avanzato sistema di controllo di stabilità a terra che riduca il carico di lavoro del pilota in ogni istante. Il simulatore ad alta fedeltà usato in questa tesi è creato in ambiente Matlab Simulink ed è stato sviluppato e validato tramite dati reali in diversi lavori precedenti. Per prima cosa, è stato sviluppato un allocatore capace di distribuire efficientemente una richiesta di controllo a diversi attuatori, quali freno, sterzo e timone. Dopodichè, è proposto un robusto sistema di gestione della pressione al fine di combinare i compiti di controllo longitudinale e laterale con il pilota nel loop. Tale architettura richiede un algoritmo che sia in grado di inferire lo stato del controllore anti bloccaggio, le cui dinamiche interne potrebbero essere ignote. Di conseguenza, è stata creata una logica che non dipende dal singolo fornitore. Dopodichè è sviluppato un controllore laterale di imbardata a parametri schedulati in velocità per mantenere il velivolo sotto controllo quando si verifica un’instabilità laterale, testando anche le sue capacità real-time mediante esperimenti Hardware-in-the-Loop e un motore grafico. In aggiunta, è stato compiuto un primo passo verso la guida autonoma, considerando un problema di generazione della traiettoria e scenari di taxi senza l’intervento del pilota. Infine, è stato validato, tramite dati di volo, un modulo di localizzazione GPS per future interazioni con gli algoritmi di controllo.