Mitigating pilot induced oscillations in aircraft ground handling through shared control strategies

Since aviation's dawn to the present day, the phenomenon of pilot-induced oscillations has been present, developing itself with aircraft and their control system evolution. Despite being an extensively studied topic for airframes in flight conditions, its ground-handling counterpart has received considerably less attention. This Thesis, the result of a collaboration between Leonardo - Aircraft Division and the Politecnico’s mOve research group, places its focus on the problem of pilot-induced oscillations in ground-handling manoeuvres, in particular during landing and rejected take-off. They come from too aggressive pilot's actions resulting in an overcontrol of the aircraft. This Thesis analyses the problem using low-order linear parameter-varying models for the aircraft and the pilot. The main body of the Thesis consists of research on the situations that are more prone to oscillations, their causes and possible mitigation methods. Within the causes, the actuators' nonlinearities, including rate-limiters present in the steering system and sensitivity variations due to independent braking structures are pointed out as potentially dangerous and analysed, particularly by exploiting the describing function method. The proposed mitigation methods include phase anticipation, decoupling and sensitivity normalising schemes. The last part of this Thesis focuses on developing a shared control strategy that aims to substitute the aircraft's resonant ground dynamic with a simpler, integrator-like aircraft and controller dynamic, resulting in easier pilot control. The just-mentioned strategies are then tested on a high-fidelity nonlinear model implemented in MATLAB's Simulink and proved to compensate up to 50° of phase loss and reduce the maximum lateral deviation from the centreline of factors up to -60% in pilot in the loop experiments.

Dagli albori dell'aviazione, fino ad oggi, il fenomeno delle oscillazioni indotte dal pilota è stato presente, sviluppandosi al pari dell'evoluzione dei velivoli e dei loro sistemi di controllo. Nonostante questo sia un argomento ampiamente studiato nell'ambiente di volo, la sua controparte dedicata al movimento a terra è significativamente meno presente in letteratura. Questa Tesi, frutto della collaborazione tra Leonardo e il gruppo di ricerca del Politecnico mOve, mette il fuoco sul problema delle oscillazioni indotte da pilota durante le manovre di terra, in particolare atterraggio e decollo abortito. Solitamente, queste ultime derivano da azioni del pilota troppo aggressive che risultano in un ipercontrollo dell'aeromobile. La Tesi analizza il problema utilizzando dei modelli dinamici a basso ordine, lineari a parametri variabili per descrivere il comportamento di velivoli e piloti. Il corpo centrale di questa tesi consiste nella ricerca di situazioni prone a oscillazioni insieme alle loro cause e a possibili schemi per la loro mitigazione. Tra le cause, sono evidenziate le non linearità degli attuatori, che includono elementi di limitazione di velocità nel sistema sterzante e variazioni di sensitività dovute a freni indipendenti dalla caratteristica nonlineare, e vengono analizzate, in particolare, servendosi del metodo delle funzioni descrittive. Tra i metodi di mitigazione proposti si possono evidenziare schemi di anticipo di fase, disaccoppiatori e normalizzatori di sensitività. L'ultima parte di questa Tesi si concentra sullo sviluppo di uno schema di controllo condiviso che ha lo scopo di sostituire la dinamica risonante del velivolo con una più semplice dinamica, simile a quella di un puro integratore, di un nuovo sistema composto dall’aeromobile e un controllore interno in modo da risultare più semplice da controllare per un pilota. Gli schemi di mitigazione sono stati testati su un simulatore non lineare ad alta fedeltà implementato in Simulink di MATLAB e hanno mostrato ottimi risultati: fino a 50° nel recupero di fase persa e riduzioni fino al -60% di deviazione dal centro della pista in esperimenti con pilota all'interno dell'anello.