CRUI - FINMECCANICA
Ricerca e tecnologia per la sicurezza: la collaborazione tra
Finmeccanica e il sistema universitario
Roma, Auditorium di Finmeccanica, 10 Nov. 2005
ATTIVITA’ DEL DIPARTIMENTO DI
INGEGNERIA AEROSPAZIALE DI PISA
NEL SETTORE DEI miniUAV
A. Salvetti, G. Lombardi, R. Galatolo, C. Casarosa
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
Università di Pisa
Mini e Micro UAV
Lombardi et al. - DIA Pisa
1
Argomenti
Che cosa è un UAV
Perchè i Mini / Micro UAV
Il SISTEMA UAV
Attività presso il DIA
Conclusioni
Mini e Micro UAV
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2
Che cosa è un UAV
Si intende per UNMANNED AIR VEHICLE (UAV)
Un veicolo senza pilota a bordo
Controllata da terra
Capace di eseguire
una MISSIONE :
Automatica
Autonoma
Tipicamente la missione prevede il
TRASPORTO DI SENSORI
con trasmissione a terra dei dati in tempo reale
Mini e Micro UAV
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3
UNMANNED VEHICLES nel mondo
Mini e Micro UAV
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4
Dimensioni degli UAV
Il concetto di UAV è indipendente dalle dimensioni
Le dimensioni influenzano comunque:
La struttura necessaria
per l’operatività
Le prestazioni
Con le dimensioni
Definizione (arbitraria) :
MiniUAV
UAV
Dimensioni
(fino a)
≈ 1.5 m
≈ 70 cm
Massa
(fino a)
≈ 10 Kg
≈ 2
Mini e Micro UAV
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Kg
5
Perchè i Mini / Micro UAV
PROBLEMATICA: IMPIEGO IN AREE “LIMITATE”
UAV grande
Difficoltà a operare
in piccole aree
Struttura necessaria per
l’operatività IMPEGNATIVA
SOTTODIMENSIONATO
in termini di
informazione locali
SOVRADIMENSIONATO
come portata
e costo d’impiego
VANTAGGI SIGNIFICATIVI NELL’USO DI PICCOLI UAV
• Rapidamente Dispiegabile
Mini e Micro UAV
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• Basso Costo
6
Immagine da miniUAV
Mini e Micro UAV
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7
ESEMPI DI MiniUAV
Mini e Micro UAV
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8
ARCTURUS T-15
Apertura alare 3m, Peso 25 Kg
Mini e Micro UAV
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9
BirdEye 500 Backpackable UAV
Israel Aircraft Industries
Peso 5 Kg, Apertura alare 2 m, Lunghezza 1.5 m.
Mini e Micro UAV
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10
Merlin Mini UAV (Sagem)
Peso 6 Kg, Apertura 1.6 m, Lunghezza 1 m
Mini e Micro UAV
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11
Aladin Mini UAV (EMT)
Peso 3 Kg, Range 5 Km, Autonomia 45 min.
Mini e Micro UAV
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12
ESEMPI DI MicroUAV
Mini e Micro UAV
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13
Mikado Micro UAV (EMT)
Peso 0.5 Kg, Range 0.5 Km, Autonomia 20 min.
Mini e Micro UAV
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14
CPX4 (concorso internazionale ONERA/DGA)
Ecoles ENSERG e ENSIEG (Francia)
Diametro 70 cm
Mini e Micro UAV
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15
Oiseau Artificiel (concorso internazionale ONERA/DGA)
Ecole des Mines de Paris
Ecole Centrale Paris
Ala battente
Apertura alare 70 cm
UAV
Ground Station
Aerodinamica + Elettronica
Mini e Micro UAV
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Addetto al
controllo
16
MISSIONI TIPICHE dei MINI/MICRO UAV
“OVER THE HILL”
• Rilevamenti in zone oltre il range diretto
dell’utilizzatore, per distanza o ostacoli geografici
Range max.
5 - 20 Km
“URBAN CANYON”
• Rilevamenti in zone oltre il range diretto
dell’utilizzatore, per ostacoli urbani
• Rilevamenti all’interno di edifici
Range max. 1 - 2 Km
Mini e Micro UAV
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17
POSSIBILI IMPIEGHI PER LA SICUREZZA (1/2)
Aspetto Generale: SENSORE
TIPO DI RILIEVO
SENSORI:
• Telecamere (diurne e notturne)
• Rilevatori di Temperatura
• Rilevatori di sostanze chimiche
• Rilevatori particolari (es. Fumo)
• Ogni altro, con limitazioni di peso e dimensioni
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18
POSSIBILI IMPIEGHI PER LA SICUREZZA (2/2)
POSSIBILI IMPIEGHI
• Sorveglianza
• Scoperta di incendi
• Ponte per trasmissioni radio
• Analisi situazioni critiche senza impiego umano diretto:





Mini e Micro UAV
Dentro zone incendiate
Dentro abitazioni pericolanti
In zone con forte inquinamento
In zone difficilmente raggiungibili per frane, crollo ponti
etc.
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19
Il SISTEMA UAV
-
(Sistema Integrato)
SENSORI
(PAYLOAD)
PIATTAFORMA
Sistema Guida
Sistema Rilevamento
Posizione
COMUNICAZIONE
Uplink
Downlink
GROUND STATION
Mini e Micro UAV
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20
ATTIVITA’ DI RICERCA MULTIDISCPLINARE
Aircraft Design
Flight Dynamics
Guidance
& Control
Propulsion
Microelectronics
Aerodynamics
Problema Aerodinamico Fondamentale:
BASSI NUMERI DI REYNOLDS
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21
Attività presso il DIA - PIATTAFORMA
• Individuazione della specifica
• Definizione della specifica (casi particolari)
• Sviluppo del “Conceptual” design
• Progetto e realizzazione di prototipi di piattaforma
• Architettura del Flight Control System
• Caratterizzazione aeromeccanica e sviluppo di leggi
di controllo del velivolo
• Sviluppo di prototipi di FCS
• sviluppo di sistemi di misura del moto (AHRS) con
accelerometri, giroscopi e magnetometri
• Sviluppo di sistemi di navigazione integrata INS/GPS
Mini e Micro UAV
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22
INDIVIDUAZIONE DELLA SPECIFICA
• Payloads
•
•
•
•
•
•
•
•
Range operativo
Autonomia oraria
Max. Altitudine
Tipo di Propulsione
Ambiente operativo
Max. Velocita’
Min. Velocita’
Precisione nella posizione
Mini e Micro UAV
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23
Definizione della specifica - OVER THE HILL
• Payloads
Modulare, princ. videocamera, 220 g
• Range operativo
10 Km
• Autonomia oraria
30 minuti
• Max. Altitudine
300 m
• Propulsione
Elettrica
• Ambiente operativo
vento < 30 Km/h, raffiche a 40
• Max. Velocita’
> 60 Km/h
• Min. Velocita’
< 30 Km/h
• Precisione nella posizione
Mini e Micro UAV
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< 10 m
24
CONCEPTUAL DESIGN
Procedura semplificata di valutazione aerodinamica
EVALUATED DATA
INPUT D A T A
L fuselage [m] =
m
b [m] =
c mean [m] =
Scontr [m 2] =
CLMAX =
VCR [m/s] =
VMAX [m/s] =
1+ =
Cf turbolent =
Cf laminar =
max altitude [m]=
endurance [h] =
endurance [s] =
propeller efficiency =
gravimetric energy density [W*h / kg] =
electric efficiency =
Voltage [Volts] =
Swet fuselage [m 2] =
S wing planform [m 2] =
Swet total [m 2] =
Re =
q, dynamic pressure [N/m 2] =
0.980
0.120
1.159
0.120
0.05
1.25
20
30
1.3
0.0043
0.0011
300
0.500
1800
0.600
275
0.700
10
mass [kg]
engine system =
voltage damper, propeller, gear =
servo =
radio receiving =
structure =
payload =
batteries =
Mini e Micro UAV
0.050
0.100
0.040
0.100
0.380
0.220
0.072
Lombardi et al. - DIA Pisa
0.369
0.139
0.748
1.342E+06
245
D R A G [N]
D friction =
D pressure =
D induced =
D residual =
D total =
W/S =
CL =
Vmin [m/s] =
basic total mass [kg]=
total mass without batteries [kg]=
TOTAL mass [kg]=
0.497
0.099
0.112
0.071
0.779
67.8
0.28
9.41
0.670
0.890
0.962
Aerodynamic Efficiency =
Power to flight [Watt] =
engine power - cruise [Watt] =
Max engine power [Watt] =
engine system (evaluated) [kg] =
Total Energy [W*s] =
Total Energy [W*h] =
batteries mass (evaluated) [kg] =
current intensity - cruise [A] =
max current intensity [A] =
12.1
15.6
26.0
87.7
0.050
49583.9
13.8
0.072
2.6
8.8
25
Esempio (Over the Hill)
Carico utile 220 gr
Autonomia 30 min.
Apertura alare ≈ 1.2 m
Peso ≈ 1 Kg
E’ STATO REALIZZATO UN PROTOTIPO
CHE HA DIMOSTRATO DI POTER
COMPIERE LA MISSIONE
Mini e Micro UAV
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26
Definizione della specifica - URBAN CANYON
• Payloads
Modulare, princ. videocamera, 50 g
• Range operativo
1 Km
• Autonomia oraria
15 minuti
• Max. Altitudine
100 m
• Propulsione
Elettrica
• Ambiente operativo
vento < 30 Km/h, raffiche a 60
• Max. Velocita’
> 70 Km/h
• Min. Velocita’
< 30 Km/h
• Precisione nella posizione
Mini e Micro UAV
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<2m
27
Esempio (Urban Canyon)
EVALUATED DATA
INPUT D A T A
L fuselage [m] =
m
b [m] =
c mean [m] =
Scontr [m 2] =
CLMAX =
VCR [m/s] =
VMAX [m/s] =
1+ =
Cf turbolent =
Cf laminar =
max altitude [m]=
endurance [h] =
endurance [s] =
propeller efficiency =
gravimetric energy density [W*h / kg] =
electric efficiency =
Voltage [Volts] =
Swet fuselage [m 2] =
S wing planform [m 2] =
Swet total [m 2] =
Re =
q, dynamic pressure [N/m 2] =
0.500
0.070
0.600
0.230
0.01
0.80
15
25
1.3
0.0052
0.0019
100
0.250
900
0.600
275
0.700
10
mass [kg]
engine system =
voltage damper, propeller, gear =
servo =
radio receiving =
structure =
payload =
batteries =
Mini e Micro UAV
0.024
0.050
0.020
0.040
0.150
0.050
0.012
Lombardi et al. - DIA Pisa
0.110
0.138
0.406
5.137E+05
138
D R A G [N]
D friction =
D pressure =
D induced =
D residual =
D total =
W/S =
CL =
Vmin [m/s] =
basic total mass [kg]=
total mass without batteries [kg]=
TOTAL mass [kg]=
0.197
0.039
0.096
0.033
0.366
24.6
0.18
7.09
0.284
0.334
0.347
Aerodynamic Efficiency =
Power to flight [Watt] =
engine power - cruise [Watt] =
Max engine power [Watt] =
engine system (evaluated) [kg] =
Total Energy [W*s] =
Total Energy [W*h] =
batteries mass (evaluated) [kg] =
current intensity - cruise [A] =
max current intensity [A] =
9.3
5.5
9.1
42.4
0.024
8574.4
2.4
0.012
0.9
4.2
28
PROTOTIPO DI UAV SU CUI VALIDARE PROTOTIPI
DI FCS E DI SISTEMI DI NAVIGAZIONE
Mini e Micro UAV
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29
PROGETTO SCAUT
(Sistema di Controllo Automatico del Territorio)
Mini e Micro UAV
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30
ELEMENTI ESSENZIALI DI UN SISTEMA DI
CONTROLLO DEL VOLO DI UN mini(micro)-UAV
Data link
Ricevitore
comandi
Attuatori
superfici
mobili
Trasmettitore
dati di bordo
Video link
FLIGHT
CONTROL
COMPUTER
Telecamera
Variazione
spinta motore
Sensori
inerziali
Mini e Micro UAV
Ricevitore
GPS
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31
SVILUPPO DI SISTEMI DI MISURA DEL MOTO
• Sensori MEMS miniaturizzati di base, disponibili sul
mercato: accelerometri, giroscopi (rate gyro), magnetometri.
• Determinazione dell’assetto (pitch e roll) e dell’orientazione
(heading) mediante elaborazione dei segnali provenienti dai
sensori.
• Le misure di assetto, accelerazioni e velocità angolari sui
tre assi-corpo sono fondamentali per la stabilizzazione del
velivolo, mediante opportune leggi di controllo.
• Localizzazione del velivolo: sviluppo di sistemi di
navigazione integrata INS/GPS mediante filtro di Kalman
Mini e Micro UAV
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32
CONCLUSIONI
(1/2)
• Il concetto di UAV e’ utilizzato da molti anni
• Per certi tipi di missione sono necessari velivoli
piccoli, detti miniUAV e microUAV
• Hanno dimostrato notevoli potenzialità nel
campo della sicurezza
• Il Sistema UAV è fortemente integrato tra
vari settori
• La ricerca in un singolo settore è complicata
dal fatto che non può prescindere dagli
sviluppi negli altri settori
Mini e Micro UAV
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33
CONCLUSIONI
(2/2)
Negli ultimi anni:
Nuovi materiali
e tecnologie
Forte sviluppo
dell’elettronica
Riduzione di pesi e
dimensioni dei sensori
Riduzione dei
pesi strutturali
Controllo automatico
dei miniUAV
Grandi potenzialità per avere Mini e micro UAV
piu’ EFFICACI ed EFFICIENTI
Mini e Micro UAV
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34