Integrated control architecture design for human-in-the-loop and autonomous aircraft ground handling

The increasing demand for safety, efficiency, and automation in airport operations is driving the development of advanced control architectures capable of managing both human-assisted and autonomous ground-handling maneuvers. This Thesis presents a unified con- trol framework that combines Human-in-the-Loop and autonomous functionalities, supporting safe and reliable operation across all major ground phases such as landing rollout, rejected take-off, and taxiing. For manual operation, the control system was adapted and structured to ensure reliable real-time behavior within a high-fidelity industrial simulation environment. The architecture includes dedicated monitoring and stability-enhancement logic designed to assist the pilot during critical phases and to ensure predictable responses under adverse or asymmetric friction conditions. This configuration is suitable for realistic human-in-the-loop evaluations and constitutes the basis for future validation campaigns with professional test pilots. On the autonomous side, the framework was extended with coordinated control functionalities capable of managing both longitudinal deceleration and lateral stabilization in a fully automatic manner. These include an autonomous mode that performs high-speed centerline capture and transition to taxi conditions based on a selected deceleration profile, ensuring smooth and safe handling without relying on predefined trajectories. As an additional contribution, a Model Predictive Control (MPC) formulation was developed to address the high-speed landing problem using an optimal coordination of braking and steering commands within physical and actuator limits. The complete architecture was validated within a nonlinear multibody simulation environment developed with industrial support and representative of real aircraft behavior. The results show improved stability, maneuverability, and handling quality across both manual and autonomous configurations, providing a scalable foundation for future fully autonomous ground-operation systems.

La crescente domanda di sicurezza, efficienza e automazione nelle operazioni aeroportuali sta guidando lo sviluppo di architetture di controllo avanzate, capaci di gestire manovre a terra sia in modalità assistita dall’uomo sia in modalità autonoma. Questa Tesi presenta la progettazione e l’integrazione di un’architettura di controllo unificato che integra funzionalità di assistenza laterale e autonome, garantendo un comportamento sicuro e affidabile durante le principali fasi operative a terra, quali atterraggio, decollo rifiutato e taxi. Per la modalità manuale, il sistema di controllo è stato strutturato e adattato per assicurare un comportamento deterministico in tempo reale all’interno di un ambiente di simulazione industriale ad alta fedeltà. L’architettura include logiche dedicate di monitoraggio e stabilizzazione, progettate per assistere il pilota nelle fasi critiche e assicurare risposte prevedibili anche in presenza di condizioni avverse o attriti asimmetrici. Tale configurazione è idonea a future campagne di validazione hardware e con piloti professionisti. Per la modalità autonoma, l’architettura è stata estesa con funzionalità di controllo coordinate in grado di gestire automaticamente sia la decelerazione longitudinale sia la stabilizzazione laterale. Tra queste, è presente una modalità autonoma che esegue la cattura della linea centrale ad alta velocità e la transizione verso le condizioni di taxi seguendo un profilo di decelerazione selezionato, garantendo manovre fluide e sicure senza richiedere traiettorie predefinite. Come ulteriore contributo, è stata sviluppata una formulazione Model Predictive Control (MPC) per affrontare la fase di atterraggio ad alta velocità come un problema di ottimizzazione, coordinando frenata e sterzo nel rispetto dei limiti fisici e attuativi. L’intera architettura è stata validata in un ambiente di simulazione multibody non lineare, sviluppato con il supporto industriale e rappresentativo del comportamento reale dell’aeromobile. I risultati mostrano un miglioramento della stabilità, della manovrabilità e della qualità di controllo sia in modalità manuale che autonoma, fornendo una base scalabile per futuri sistemi di operazioni a terra completamente autonomi.