Multibody analysis for recursive identification of rotorcraft pilot biodynamics

Rotorcraft are vehicles subject to harsh vibrations, which can lead to aeroelastic interaction phenomena between the pilot and the aircraft. The phenomenon in which the pilot, due to their own biomechanical response, unintentionally introduces control inputs is known as Biodynamic Feedthrough (BDFT) and is commonly represented as a transfer function. This quantity constitutes the principal indicator of possible pilot–vehicle interactions and depends on several factors. Among these, the most time-varying contribution is provided by the pilot’s upper limbs, and in particular by muscle activations. For the study of these interactions, and especially of the biodynamic response, the FRAME Lab at Politecnico di Milano has developed and validated a detailed multibody model of the helicopter–pilot system. This model allows investigating the influence of different neuromuscular conditions on BDFT, however, due to its complexity, it is not suitable for online estimation of the subject’s biodynamics. This thesis presents a method based on sigma-point filtering (SR-CDKF) that enables the recursive estimation of the time-varying parameters of a simplified pilot model, and thus the corresponding biodynamic response. The pilot’s biomechanics, coupled with those of the controls, are then simulated using the multibody model in two tests representing a change in muscle activation strategy during the task. The resulting time histories are subsequently used to assess the performance of the recursive algorithm, which is based on a reduced single-degree-of-freedom model. The results, in terms of BDFT and identified parameters, are compared between the two models with the aim of validating the recursive method. The proposed approach therefore provides a practical foundation for robust recursive identification and control strategies aimed at mitigating helicopter–pilot couplings

Gli elicotteri sono veicoli soggetti a vibrazioni intense, che possono portare a fenomeni di interazione aeroelastica tra pilota e velivolo. Il fenomeno per cui il pilota, a causa della propria risposta biomeccanica, introduce involontariamente input di comando è noto come Biodynamic Feedthrough (BDFT) ed è comunemente rappresentato come una funzione di trasferimento. Tale grandezza costituisce l'indicatore principale delle possibili interazioni tra pilota e velivolo e dipende da diversi fattori. Tra questi, il contributo più variabile nel tempo è dato dagli arti superiori del pilota e in particolare dalle attivazioni muscolari. Per lo studio di queste interazioni e in particolare della risposta biodinamica, il FRAME Lab del Politecnico di Milano ha sviluppato e validato un modello multicorpo dettagliato del sistema elicottero–pilota. Questo modello permette di studiare l'influenza di diverse condizioni neuromuscolari sulla BDFT ma, a causa della sua complessità, non permette di ottenere una stima online della biodinamica del soggetto. In questa tesi viene riportato un metodo basato su filtraggio a sigma-points (SR-CDKF) che permette di stimare ricorsivamente i parametri tempo-varianti di un modello semplificato del pilota, e dunque la corrispondente risposta biodinamica. La biomeccanica del pilota, accoppiata con quella dei controlli, viene quindi simulata utilizzando il modello multibody in due test in cui viene rappresentato un cambio di strategia di attivazione muscolare durante il task. Le storie temporali risultanti vengono poi utilizzate per testare le prestazioni dell'algoritmo ricorsivo, che si basa su un modello ridotto ad un solo grado di libertà. I risultati, in termini di BDFT e parametri identificati, vengono confrontati tra i due modelli con l'obiettivo di validare il metodo ricorsivo. L’approccio fornisce quindi una base pratica per strategie robuste di identificazione ricorsiva e controllo volte a mitigare gli accoppiamenti tra elicottero e pilota.