Design and development of advanced aircraft ground handling control systems for safe human-in-the-loop control

During landings, aircraft reach considerable speeds during the rollout phase, which makes them susceptible to stability problems both in the longitudinal and lateral directions. Runway excursions are a key concern, where human error, aircraft system faults, and poor runway conditions are among the most common causes of such accidents. In the longitudinal direction, the pilot is typically assisted by an anti-skid system that prevents wheel locking upon brake application and maximizes braking performance. However, most of the workload associated with maintaining directional stability falls on the pilot, who must operate multiple actuators and correct any asymmetries that deviate the aircraft from its intended path. The coupling between the longitudinal and lateral dynamics, potential actuator failures, and unforgiving environmental conditions can lead to a challenging task. Moreover, the pilot’s efforts to control the aircraft can couple with the aircraft’s response counter-productively and give rise to the dreaded phenomenon of pilot-induced oscillations (PIOs). In this thesis, we develop advanced aircraft ground handling control systems to improve stability, maneuverability, and safety. We propose several levels of assistance and constructively build increasingly more autonomous features. First, we analyze the ground handling dynamics and develop a high-fidelity multibody simulation model validated with experimental data. We also develop control-oriented models and uncover key subsystems and parameters contributing to directional problems. Then, we develop and experimentally validate directional stability-aware anti-skid systems that simultaneously ensure state-of-the-art braking performance and enhance directional stability. Next, we propose stability augmentation systems to reduce the likelihood of PIOs by acting on key aircraft actuators. Subsequently, we develop an active lateral assistance system robust to actuator failures and adverse environmental conditions that provides correction commands for enhanced maneuverability. We successfully validate the approach with human-in-the-loop simulations. Finally, we propose an innovative on-ground maneuvering system that can autonomously handle the rollout and taxiing phase for full pilot workload reduction.

Durante gli atterraggi, i velivoli raggiungono velocità elevate nella fase di rollout, rendendoli suscettibili a problemi di stabilità longitudinale e laterale. Le uscite di pista sono una delle principali preoccupazioni, con l’errore umano, i guasti nei sistemi e le condizioni avverse della pista tra le cause più comuni. Nella direzione longitudinale, il pilota è tipicamente assistito da un sistema antislittamento che impedisce il bloccaggio delle ruote durante la frenata e ottimizza le performance. Tuttavia, la maggior parte del carico di lavoro associato al mantenimento della stabilità direzionale ricade sul pilota, che deve gestire numerosi attuatori e correggere eventuali asimmetrie che deviano il velivolo dalla traiettoria prevista. L’accoppiamento tra la dinamica longitudinale e laterale, i potenziali guasti degli attuatori e condizioni ambientali sfavorevoli possono rendere questo compito complesso. Inoltre, gli sforzi del pilota possono anche interagire negativamente con la risposta dell’aereo e dare origine al fenomeno delle pilot-induced oscillations (PIOs). In questa tesi sviluppiamo sistemi avanzati di controllo delle manovre a terra per migliorare la stabilità, manovrabilità e sicurezza dei velivoli. Proponiamo diversi livelli di assistenza e sviluppiamo funzioni con crescente autonomia. In primo luogo, analizziamo la dinamica delle manovre a terra e sviluppiamo un modello di simulazione multibody ad alta fedeltà, validato con dati sperimentali. Sviluppiamo anche modelli orientati al controllo, identificando sottosistemi e parametri chiave per i problemi direzionali. Successivamente, sviluppiamo e validiamo sperimentalmente sistemi antislittamento che assicurano contemporaneamente ottime prestazioni di frenata e migliorano la stabilità direzionale. Poi, proponiamo sistemi di aumento della stabilità per ridurre la probabilità delle PIOs agendo sugli attuatori chiave del velivolo. Di seguito, sviluppiamo un sistema di assistenza laterale robusto ai guasti degli attuatori e alle condizioni ambientali avverse, che fornisce comandi di correzione per migliorare la manovrabilità. Validiamo con successo l’approccio con simulazioni human-in-the-loop. Infine, proponiamo un innovativo sistema per la gestione autonoma della fase di rollout e di taxiing, riducendo il carico di lavoro del pilota.