Metodi di soluzione guasti nel
volo in formazione di velivoli
autonomi
Candidato:
Simone Di Nisio
Relatori:
Prof. M.Innocenti
Prof. A. Balestrino
Introduzione
• Volo automatico di velivoli in formazione
– Mantenimento di una formazione
• Riconfigurazione in caso di guasti
automatizzata
• Estensione del procedimento ad altri sistemi
dinamici
– Analogie nella gestione dei guasti
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Organizzazione del lavoro svolto
• Gestione del volo in formazione
• Topologia della formazione vista come grafo
• Mappe di riconfigurazione
– Perdita dell’aereo
– Rottura del trasmettitore
– Rottura del ricevitore
• Controllore della formazione
• Modello Simulink Formation’s Manager
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Gestione del volo in formazione
• Gestore della formazione
– Centralizzato
– Decentralizzato
• Scelta di un gestore decentralizzato
– L’algoritmo di decisione distribuito deve produrre
risultati coincidenti su tutti gli aerei
• Canali di comunicazione
– Point-to-Point
– Broadcast
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Topologia della formazione vista
come grafo
• Formazione rappresentata con un grafo pesato ed
orientato
– Posizione dell’aereo nella formazione  nodo
– Canale di comunicazione  arco
• Assegnazione dei pesi agli archi
• Introduzione del Virtual Leader
• Utilizzo dell’algoritmo di Dijkstra per trovare un
albero di copertura di costo minimo
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Possibili configurazioni della
formazione
• Le topologie
previste per
formazioni
composte da un
numero di aerei
minore od
uguale a 6 sono
illustrate in
figura
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Mappe di riconfigurazione (1)
• Il rilevamento di guasti puo’ rendere necessario il cambio
di posizione di qualche aereo, per ristabilire una
configurazione ottimale della formazione
• In ciascun aereo viene eseguita una procedura che
implementa le mappe di riconfigurazione
• Decisioni contrastanti che porterebbero due o piu’ aerei a
spostarsi nella stessa posizione sono escluse
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Mappe di riconfigurazione:
perdita aereo (2)
• Descriviamo il caso in
cui si ha la perdita del
leader di una
formazione composta
da 6 aerei
• A seconda dello stato
del TX degli aerei in
seconda linea, si
effettua uno
spostamento per
assegnare un nuovo
leader alla formazione
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Mappe di riconfigurazione:
perdita aereo (3)
• Per ottenere una
topologia a ‘V’
rovesciata, sono
richiesti altri cambi
di posizione, che
sono scelti in base a
quanto descritto
dalla mappa di
riconfigurazione
illustrata in figura
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Mappe di riconfigurazione:
rottura del TX (4)
• Nel caso di guasti al TX di un aereo puo’ rendersi
necessario un cambio di posizione per ripristinare dei
canali di comunicazione che sono diventati inutilizzabili
• L’aereo con il TX rotto con una manovra precalcolata si
sposta in una posizione di comodo, dietro la formazione
• Gli altri aerei si comportano similmente al caso della
perdita di un velivolo, eseguendo le mappe di
riconfigurazione
• In seguito l’aereo con il TX guasto, rientra nella
formazione in una delle posizioni libere in ultima fila
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Mappe di riconfigurazione:
rottura del TX (5)
• Un caso interessante da
discutere e’ la rottura
del trasmettitore in una
formazione di 5 aerei
• Il temporaneo
allontanamento
dell’aereo con il TX
rotto, provoca una
riconfigurazione che
utilizza le mappe da 5 a
4 che non sono
invertibili
• Dei particolari
accorgimenti
consentono la gestione
corretta della situazione
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Mappe di riconfigurazione:
rottura del RX (6)
• Occorre precisare che nel
caso di guasto al RX non
si eseguono le mappe di
riconfigurazione
• Se sono verificate delle
condizioni che portano al
cambio del leader, questo
si sposta dietro la
formazione, l’aereo con
il ricevitore guasto va nel
nodo 1, e infine il leader
rientra nello
schieramento
posizionandosi nel nodo
appena lasciato libero
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Controllore della formazione (1)
• Ciascun aereo trasmette la propria posizione
assoluta e la traiettoria seguita all’aereo che
lo assume come riferimento (aereo follower)
• L’aereo che riceve questi dati regola la
propria distanza relativa dal riferimento
utilizzando il controllore schematizzato nella
figura seguente
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Controllore della formazione (2)
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Formation’s Manager (1)
• Il modello della formazione capace di
riconfigurarsi automaticamente in presenza
di fault e’ stato realizzato con l’ausilio di
MATLAB 6.0, in particolare con due suoi
toolbox: Simulink e Stateflow
• Stateflow e’ stato utilizzato per
l’implementazione dell’automa a stati finiti
che consente la gestione dei guasti
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Formation’s Manager (2)
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Formation’s Manager (3)
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Esempio: perdita aereo 3 (1)
• Illustriamo il caso in cui si verifichi la
perdita dell’aereo in posizione 3 in una
formazione di 6 aerei.
• Le mappe di riconfigurazione prevedono
che l’aereo in posizione 5 si sposti nel nodo
3, se ha il TX funzionante, portando cosi’ la
formazione in una topologia a ‘V’
rovesciata
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Esempio: perdita aereo 3 (2)
• Prima del fault
l’albero di copertura di
costo minimo trovato
dall’algoritmo di
Dijkstra e’ mostrato in
figura
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Esempio: perdita aereo 3 (3)
• Quando il resto della
formazione si accorge
della perdita dell’aereo
3, ciascun aereo
riesegue l’algoritmo di
Dijkstra,
riconfigurando cosi’ il
proprio canale di
configurazione
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Esempio: perdita aereo 3 (4)
• L’aereo 5 e’ quello
scelto dalle mappe di
riconfigurazione per
ricoprire la posizione
lasciata libera
• Prima di cominciare lo
spostamento, spegne il
proprio TX e da il
tempo all’aereo 6 di
cambiare riferimento
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Esempio: perdita aereo 3 (5)
• Una volta arrivato in
posizione 3, l’aereo 5
segnala la fine del suo
spostamento a tutta la
formazione.
• In seguito alla nuova
esecuzione dell’algoritmo
di Dijkstra, l’aereo 5
prende come riferimento
l’aereo 1 ed e’ di
riferimento per l’aereo 6
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Esempio: perdita aereo 3 (6)
• L’aereo 5 prima del cambio di
posizione, e durante, prende
riferimento dall’aereo 2.
• La distanza che deve mantenere
da questo prima del cambio e’
di 20 ft lungo l’asse x e -20 ft
lungo l’asse y.
• Andandosi a posizionare nel
nodo 3, la nuova distanza da
mantenere per l’aereo 5 e’ di 0
ft lungo l’asse x e -40 ft lungo
l’asse y
• Giunto in posizione e preso
come riferimento l’aereo 1, la
nuova distanza da mantenere
torna ad essere di 20 ft lungo
l’asse x e -20 ft lungo l’asse y
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Esempio: perdita aereo 3 (6)
• L’andamento dell’errore di
posizione lungo l’asse x e
lungo l’asse y sono diversi
da zero, durante il
cambiamento di nodo.
• Dopo un transitorio di una
decina di secondi l’errore
di posizione torna ad
essere nullo
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Esempio: perdita aereo 3 (7)
• Andamento del modulo della velocita’,
dell’angolo di Flight Path e di quello di Heading,
dell’aereo 5
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Esempio: perdita aereo 3 (8)
• Evoluzione del
diagramma Stateflow
all’interno dell’aereo 5
– Prima della perdita
dell’aereo 3
– Appena viene scelto
per il cambio di
posizione dalla mappa
di riconfigurazione
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Esempio: perdita aereo 3 (9)
• All’interno del
sottodiagramma RM
– L’aereo 5 provvede a
spegnere il proprio
trasmettitore
– Effettua una manovra
che non prevede
variazioni dell’altezza
dal suolo
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Dynaworld
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