Design, integration and testing of novel rotorcraft control inceptors for rotorcraft-pilot-coupling mitigation

Unwanted interactions between the pilot and the rotorcraft dynamics, known as Rotorcraft Pilot Couplings (RPCs), can lead to oscillatory instabilities and degraded handling qual ities, especially during high-gain tasks. To address these issues, the present thesis focuses on the design and experimental validation of innovative flight control inceptors and their integration within a research flight simulator. A complete redesign of the cyclic inceptor was carried out—including the structural sup port, an active force-feedback grip, and a custom mechanical interface—resulting in a reduced-travel side-stick equipped with an optical force-measurement system for pilot load monitoring and closed-loop feedback generation. The structure was designed, mod eled, and manufactured to ensure stiffness, ergonomics, and full compatibility with the FRAME-Lab RPC Testbed at Politecnico di Milano. In parallel, the collective inceptor grip was re-engineered in order to host an innovative thumb-stick system, to allow fine control of the collective input around the trim condition. This architecture was conceived as an extension of the traditional beep-trim, with the ob jective of reducing large left arm displacements, while allowing pilots to perform precise vertical maneuvers using solely their thumb. Dedicated electronics and mechanical inter faces were developed to integrate the thumb-stick collective lever within the simulator’s control system. Both inceptors were interfaced at software level with the Motion Platform System (MPS) by means of the MARSH architecture. Preliminary pilot-in-the-loop experiments with the thumb-stick collective demonstrated improved accuracy, comfort, and reduced susceptibility to oscillatory interactions. Overall, this work aims at advancing the design, integration, and experimental assess ment of next-generation active inceptors for rotorcraft, providing practical insights for enhancing control precision, ergonomic performance, and flight safety.

I fenomeni di instabilità dovuti a interazioni avverse tra pilota ed elicottero, noti come Rotorcraft–Pilot Coupling (RPC), possono generare oscillazioni indesiderate e degradare le qualità di pilotaggio, compromettendo la sicurezza del volo. Questa tesi affronta tali problematiche attraverso la progettazione, lo sviluppo, l’integrazione e la successiva validazione sperimentale di comandi di volo innovativi, installati sul sim ulatore di volo dedicato allo studio dei fenomeni RPC del Politecnico di Milano. È stata realizzata una completa riprogettazione della leva ciclica comprendente la strut tura di supporto, la leva ciclica e l’integrazione di un’unità ottica per la misura della forza di presa. La configurazione, di tipo side-stick, presenta corsa ridotta e consente il monitoraggio dei carichi applicati dal pilota. La struttura è stata progettata, analizzata e prodotta per garantire rigidezza, ergonomia e piena compatibilità con la piattaforma RPC. Parallelamente, l’impugnatura della leva del collettivo è stata riprogettata per integrare un innovativo sistema di tipo thumb-stick, capace di consentire un controllo fine dell’ingresso collettivo attorno alla condizione di trim. Questa soluzione riduce le ampie escursioni del braccio sinistro, permettendo regolazioni precise tramite il solo movimento del pollice. Entrambe le leve sono state integrate a livello software tramite l’ambiente MARSH, con sentendo la completa sostituzione funzionale dei comandi convenzionali del simulatore. Le prime prove in anello chiuso (pilota-nel-loop) condotte con la configurazione del col lettivo dotato di thumb-stick indicano un miglioramento dell’accuratezza e della control labilità, nonché una riduzione della suscettibilità a interazioni dinamiche di tipo RPC. Complessivamente, il lavoro si propone di contribuire all’avanzamento nella progettazione, integrazione e validazione sperimentale di leve di comando di nuova generazione, fornendo indicazioni utili al miglioramento della precisione di manovra, dell’ergonomia e della si curezza dei velivoli ad ala rotante.