Numerical and experimental investigation on inceptor design for rotorcraft collective bounce mitigation

Rotorcraft Pilot Coupling (RPC) phenomena involve the interaction between the pilot and the rotorcraft. Among RPCs, Pilot-Assisted Oscillations (PAO) are characterized by rotorcraft vibrations unintentionally stimulating the pilot’s body dynamic response, which in turn influences the aircraft’s control device dynamics. Understanding RPC phenomena is particularly challenging, as it requires analyzing both the rotorcraft dynamics and the pilot’s biomechanical response, as well as their interactions. A key parameter is the Biodynamic Feedthrough (BDFT), which describes how the acceleration of the rotorcraft feeds into the human body resulting in the involuntary rotation of the control device. It is well established that the BDFT is influenced by numerous factors related to both the control stick and the pilot. The first objective of this work is to investigate how individual pilot characteristics affect the BDFT and how variations in the control stick’s features can, in turn, modify its behavior. Secondly, this work aims to evaluate the overall pilot-rotorcraft system, analyzing how different rotorcraft configurations may be more or less prone to (RPC) phenomena and how the characteristics of the control stick can influence the overall stability of the system. To achieve the described objectives, two different approaches were employed: an experimental approach and a numerical one. The BDFT was experimentally evaluated using a dedicated testbed, while simultaneously being computed through a multibody model representing the upper human body. This model combines two sub-models: one describing the arm and the other representing the spine. Once the BDFT was determined, it was analyzed within a Pilot Vehicle System. The rotorcraft relevant dynamics were modeled through simplified linear time-invariant systems, with a reduced number of degrees of freedom. An extensive experimental campaign revealed that pilots with different physical characteristics—such as age, gender, height, and weight—exhibit significant variations in the BDFT. The data were subsequently combined with a parametric rotorcraft model to describe the dynamics of the Pilot Vehicle System, allowing the stability analysis of different helicopter configurations. The experimental data was also exploited for the multibody model validation, which was then used to perform a sensitivity analysis on several control stick parameters to evaluate their impact on the BDFT and, consequently, on the stability of the entire Pilot Vehicle System. From this analysis, it can be concluded that certain control stick parameters, like the mass and the center of mass position, have a more significant influence on system stability, while others, like the balancing spring stiffness and the lever inertia (calculated with respect to the center of mass), have a lesser effect. These findings allow the identification of the parameter combination that defines the control stick configuration least susceptible to RPC phenomena. The control stick configuration that minimizes the possibility of human-machine coupling is not unique rather varies depending on the specific characteristics of the rotorcraft involved in the Pilot Vehicle System.

L’espressione Rotorcraft Pilot Coupling (RPC) è utilizzata per descrivere i fenomeni che riguardano l’interazione tra pilota e velivolo ad ala rotante, che danno luogo a accoppiamenti indesiderati. Questi fenomeni possono essere classificati in due categorie: Pilot-Induced Oscillations (PIO), provocati da un comportamento volontario del pilota, e le Pilot-Assisted Oscillations (PAO), in cui le vibrazioni dell’elicottero stimolano involontariamente il corpo del pilota, che, a sua volta, interagisce con i dispositivi di controllo del velivolo. Questo studio si concentra su quest’ultima categoria. Comprendere i fenomeni RPC è particolarmente complesso, in quanto richiede l’analisi sia della dinamica del velivolo che della risposta biomeccanica del pilota, oltre alla loro interazione. Un parametro chiave per descrivere e comprendere gli RPC è la Biodynamic Feedthrough (BDFT), che descrive come l’accelerazione verticale del velivolo venga trasmessa dal corpo umano, generando una rotazione involontaria del dispositivo di controllo. È noto che la BDFT è influenzata da numerosi fattori legati sia alla leva di controllo che al pilota. Il primo obiettivo di questo lavoro è analizzare l’interazione tra pilota e leva descritta dalla Biodynamic Feedthrough (BDFT). Considerando che la BDFT è influenzata da diversi fattori legati sia al pilota che alla leva , lo studio si è soffermato su come le caratteristiche individuali dei piloti influiscano sulla BDFT e come, a loro volta, le variazioni delle caratteristiche della leva possano modificarne il comportamento. In secondo luogo, il lavoro si propone di valutare l’intero sistema pilota-elicottero, analizzando come diverse configurazioni di elicotteri possano essere più o meno suscettibili ai fenomeni di Rotorcraft Pilot Coupling (RPC) e come le caratteristiche della leva possano influenzare la stabilità complessiva del sistema. Per raggiungere gli obiettivi descritti, sono stati utilizzati due approcci distinti: uno sperimentale e uno numerico. La Biodynamic Feedthrough (BDFT) è stata valutata sperimentalmente utilizzando un apposito banco di prova, mentre parallelamente è stata calcolata attraverso un modello multicorpo che rappresenta la parte superiore del corpo umano. Questo modello combina due sotto-modelli: uno che descrive il braccio e uno che rappresenta la colonna vertebrale. Una volta determinata la BDFT, essa è stata analizzata all’interno di un sistema pilota-elicottero. L’elicottero è stato modellato analiticamente utilizzando una rappresentazione a due gradi di libertà. Un’ampia campagna sperimentale ha evidenziato che piloti con diverse caratteristiche fisiche, come età, sesso, altezza e peso, mostrano variazioni significative nella Biodynamic Feedthrough (BDFT). Questi dati sono stati successivamente combinati con un modello parametrico di elicottero per descrivere la dinamica del sistema pilota-elicottero, consentendo l’analisi di diverse configurazioni di velivoli. Ciò ha permesso di effettuare alcune valutazioni sulla stabilità del sistema in anello chiuso per identificare quali elicotteri siano più suscettibili ai fenomeni di Rotorcraft Pilot Coupling (RPC). I dati sperimentali hanno anche permesso di validare il modello multicorpo, che è stato poi utilizzato per eseguire un’analisi di sensitività su diversi parametri della leva di con- trollo per valutarne l’impatto di questi sulla BDFT e, di conseguenza, sulla stabilità dell’intero sistema pilota-elicottero. Da questa analisi è emerso che alcuni parametri della leva di controllo hanno un’influenza più significativa sulla stabilità del sistema, mentre altri hanno un impatto minore. Questi risultati hanno reso possibile l’ identificazione della combinazione dei parametri che definisce la configurazione della leva meno soggetta ai fenomeni RPC. La configurazione della leva che minimizza la possibilità di accoppia- menti umano-macchina non è univoca, ma varia in funzione delle caratteristiche specifiche dell’elicottero considerato nel sistema pilota-elicottero.