Università degli studi di Udine
Corso di Robotica
Docente: Antonio D’Angelo
Studente: Luca Snaidero
Rudimenti di volo con elicottero

Le forze fisiche:
 Peso
 Resistenza
 Portanza
 Trazione

Rotore principale

Dispositivi anticoppia per contrastare il
momento torcente operante sulla fusoliera:
 Rotore secondario in coda
 Secondo rotore principale
 Gas di scarico elicotteri a reazione

Aerodinamica:
 Il rotore riceve una spinta uguale e contraria, pari
alla variazione della quantità di moto del fluido
che lo attraversa nell’unità di tempo
m
t
- la massa d’aria che attraversa il rotore;
- il tempo di osservazione del fenomeno;
- la variazione di velocità subita dal fluido attraverso il disco del rotore;
- la portata massica d’aria che attraversa il disco del rotore;
s
ρ
- l’area dl disco;
- il salto di pressione dinamica subito dal flusso d’aria tra monte e valle del disco
del rotore.
- densità dell’aria

Lo swashplate è un dispositivo che traduce i comandi del pilota
all’elicottero comandando il comportamento delle pale del rotore
principale. Essa è utilizzata per trasmettere i comandi pilota dalla
fusoliera (fissa) al mozzo ed alle pale (rotanti).
1. Piatto esterno fisso (blu)
2. Piatto interno rotante (metallo)
3. Giunto sferico
4. Controllo lungo l'asse di imbardata. Inclina il
rotore in senso longitudinale (pitch) e evita la
rotazione dell'anello esterno (compasso).
5. Controllo lungo l'asse di rollio. Inclina il rotore
lateralmente (roll)
6. Bielle di collegamento (color metallo) alle pale
del rotore. In nero le bielle che variano il passo
delle pale controllate dal piatto interno

I controlli di un elicottero sono:
Collettivo: controlla l’angolo di attacco delle pale.
All’aumento dell’angolo di attacco corrisponde un
incremento della portanza
Pedaliera: controlla il rotore di coda per
comandare la direzione della prua (lo “yaw axis”)

I controlli di un elicottero sono:
Manetta: è un semplice acceleratore che consente di
controllare il regime del motore e dunque di
trasmettere maggiore o minore potenza secondo la
necessità del momento.
Ciclico: governa la variazione ciclica dell’angolo di
attacco delle pale. Serve a distribuire
opportunamente la spinta in modo da consentire
variazioni di assetto e spostamento dell’elicottero.

Decollo
 Aumentare il passo collettivo
 Usare la pedaliera per azionare il rotore di coda che contrasti la coppia
generata dal rotore principale

Spostamento longitudinale
 Portare in avanti la leva del passo ciclico
 Dare un po’ di collettivo per ristabilire stessa portanza
 Dare pedaliera nel senso di rotazione del rotore principale

Cambio di direzione orizzontale
 Usare pedaliera per modificare i giri del rotore di coda e sfruttare
eventualmente la coppia e l’anticoppia per modificare la direzione


Il FADEC è un sistema elettronico
computerizzato che controlla il funzionamento
del motore in tutte le sue fasi operative
In particolare si occupa di:
 Power management
 Gas generator control
 Engine limit protection
 Automatic and manual engine start
 Engine parameters transmission for cockpit indication
 Transmission of engine condition monitoring parameters
 Detection, isolation, memorization of its internal system failures

Il FADEC è composto da:
 ECU (Electronic control unit). E’ il cervello del
sistema. Riceve segnali dai sensori, li elabora ed
invia comandi elettrici al HMU
 HMU (hydro mechanical unit). Riceve e converse i
segnali elettrici in arrivo da ECU in pressione
idraulica
 Componenti periferici: attuatori e sentori che
inviano dati ed eseguono comandi
Navigazione per dispositivi UAV

La navigazione consiste nel dirigere l’UAV in
un ambiente affinchè:
 Raggiunga la destinazione
 Non si perda
 Non si schianti contro ostacoli

La navigazione viene risolta impostando tre
attività in sequenza:
 Mapping (costruzione della mappa)
 Planning (pianificazione della rotta)
 Driving (navigazione lungo la rotta)

Le mappe sono di 4 tipologie:
 Mappe dei percorsi: rappresentazione attraverso grafi
dei percorsi predefiniti da seguire
 Mappe dello spazio libero: rappresentazione
attraverso grafi dello spazio libero
 Mappe orientate agli ostacoli (object-oriented): si
rappresentano (con strutture adeguate come ad esempio i
Frames) gli oggetti presenti nel mondo
 Mappe composite o miste: sono rappresentati con
precisione diversa i vari punti della mappa

Utilizzo:
 Tracciamento di una regione conosciuta

Memorizzazione eseguita a priori dei vari percorsi
possibili attraverso struttura a grafo di:
 Semplice analisi
 Difficile modifica
 Bassa adattabilità

Esempio: navigazione con Landmark (cartelli posti nel
territorio che il robot utilizza per capire la propria posizione)

Utilizzo:
 Primo tracciamento di una regione non conosciuta

Costruzione:
 Primi voli per rilevare i punti in corrispondenza di manovre
obbligate
 Rilevazione traiettorie attraverso unione tali punti
 Suddivisione in regioni attraverso algoritmo di
tassellazione

Esempio: tassellazione
di Voronoi

Utilizzo:
 Tracciamento di una regione conosciuta

Memorizzazione eseguita a priori dei vari oggetti
presenti sul territorio mediante memorizzazione in
lista di record dove:
 Si descrive la posizione e l’orientamento dell’oggetto
attraverso la lista della posizione assoluta dei suoi vertici
 Si descrive la posizione assoluta in coordinate di un punto
di riferimento dell’oggetto più una lista di vertici in
coordinate relative al punto di riferimento dell’oggetto

Esempio: rappresentazione del mondo attraverso Frame

Utilizzo:
 Tracciamento di una regione conosciuta

Memorizzazione eseguita a priori dei vari oggetti
presenti sul territorio mediante un albero di
quadretti cosi creato:
 Si divide in quattro parti che vengono etichettato come
piena, vuota o mista; se una parte è mista, viene
segmentata in quadretti di dimensioni più piccole fino ad
arrivare alla dimensione minima significativa del robot

Esempio: rappresentazione del mondo attraverso
Quadtree

Questa struttura ha equivalente tridimensionale che prende il nome di
Octree, che però conduce ad una struttura troppo articolata per essere
efficaciemente utilizzata nella navigazione

La fase del Planning permette di ottenere il
cammino geometrico ottimo da un punto di
partenza ad uno di destinazione

Gli algoritmi di ricerca possono essere gli
stessi anche in diverse rappresentazioni, visto
che i modelli di rappresentazione dati spesso
sono gli stessi

Tabella di raccordo fra tipologia di mappa ed
algoritmo di path planning utilizzato:
Mappa utilizzata
Metodo di Path Planning
Mappa dei percorsi
A* Algorithm
Mappa dello spazio libero
A* Algorithm
Mappa orientata agli ostacoli
A* Algorithm dopo
trasformazione di modello
Distance Transform Algorithm
Mappa composita

Problema di ricerca nello spazio degli stati:
 S = insieme degli stati
 G contenuto in S, G è l’insieme degli stati GOAL
 s0 = stato iniziale
 o1, o2, … , oK = insieme degli operatori disponibili
Una soluzione ad un PRSS è una sequenza di operatori che
applicata ad s0 conduce ad uno stato in G.
 Una soluzione ottima è una soluzione il cui costo totale non è
maggiore del costo totale di nessuna altra soluzione


E’ possibile applicare l’algoritmo alle regioni di Voronoi di Spazio Libero che sono
rappresentate in un grafo. L’algoritmo indicherà la sequenza di punti generatori
di regioni di Voronoi da attraversare. Qui di seguito una immagine esemplificante
il funzionamento.

Adattamento per l’A* Algorithm:
 Espansione degli ostacoli facendo scorrere la
figura rappresentante il robot sull’ostacolo
 Costruzione del grafo dei vertici
 Costruzione del grafo di visibilità, che collega
START, GOAL e tutti i vertici tra loro visibili
 Applicazione dell’ A* Algorithm
Percorso ottenuto con A* su
oggetti espansi:

Calcolo della matrice di trasformazione delle
distanze:
 Si assegna un certo valore uguale per tutte le celle, ad
esempio n*m con n numero di righe, m numero di colonne
 Si assegna valore 0 ai punti di GOAL
 Si assegna valore infinito ai punti occupati in tutto o in
parte da oggetti
 Si itera più volte, assegnando a ciascuna cella dello spazio
libero il minimo valore fra quanto già contiene ed il
minimo valore degli otto vicini incrementato della
distanza (+ 1 per spostamento orizzontale e verticale
+ 1.4 per spostamento in diagonale)

Tracciamento del cammino da START ad GOAL:
 Percorrere le celle in ordine decrescente di contenuto,
massimizzando la discesa fino ad arrivare al GOAL più
vicino

Controllare il robot nella esecuzione del
percorso trovato facendo in modo che eviti:
 Ostacoli mobili
 Ostacoli immobili imprevisti
 Perdita di precisione nella localizzazione del robot

Principale sistema di Obstacle-avoidance:
 Il metodo dei campi potenziali


Obiettivo: fare attrarre il robot dai GOAL e farlo respingere
dagli ostacoli
La funzione potenziale è la somma di due compontenti:
 Un potenziale attrattivo, che attira il robot verso il GOAL
 Un potenziale repulsivo, che lo respinge dagli ostacoli






Gli ostacoli del mondo sono pesati in base alla loro distanza
Metodo locale in quanto la funzione potenziale dipende solo dalla
distribuzione degli ostacoli negli intorni del robot
Il robot cerca di portarsi dove il potenziale è minimo
Determinazione del cammino eseguita direttamente dal robot
Contemporanea valutazione di aree libere e di ostacoli
Favorisce introduzione di un feedback sensoriale per il rilevamento degli
ostacoli

Il problema dei minimi locali:
 possibile creazione di avvallamenti dovuti agli ostacoli, per
lo più concavi, in cui il robot rimane intrappolato. La
particolare forma dell’ostacolo e la posizione del goal
creano nella concavità un punto in cui le forze di attrazione
e di repulsione si equilibrano, generando quindi un punto
di equilibrio stabile, costituente una trappola per il robot.
A queste trappole si può ovviare, prevedendo, ad esempio,
un abbandono momentaneo della tecnica in uso per
eseguire dei movimenti di tipo casuale, che conducano il
robot fuori dall’avvallamento

Il Global Positioning System (GPS), è un sistema di
posizionamento su base satellitare, a copertura globale e
continua, gestito dal dipartimento della difesa statunitense

Il sistema di navigazione si articola nelle seguenti
componenti:
 un complesso di minimo 24 satelliti, divisi in gruppi di quattro su
ognuno dei sei piani orbitali (distanti 60° fra loro e inclinati di 55° sul
piano equatoriale)
 una rete di stazioni di tracciamento (tracking station)
▪ Hawaii, California, Minnesota, Maine
 un centro di calcolo (computing station)
▪ California
 un ricevitore GPS (trilaterazione)

Possibili sorgenti di interferenza al segnale:
 Naturale
▪ Onde radio solari
▪ Irregolarità ionosfera
 Artificiali
▪ Interferenze elettromagnetiche accidentali
▪ Jamming / uso di missili antiradiazioni
Un caso di studio:
il Canadair/Bombardier CL-327



Anno inizio produzione: 1996
Utilizzo: sorveglianza
Luogo utilizzo:
 Navi militari
 Ambienti scoscesi
 Luoghi senza piste adeguate per altri UAV

Personale
 Numero operatori: 2
 Tempo addestramento: 4 settimane
Componenti principali:
 Versione aggiornata del Bombardier CL-227
 Stazione di controllo UAV
 Sistema di elaborazione immagini MacDonald Dettwiler and Associates
 Elementi:
 In volo:
▪ Veicolo aereo
▪ ELTA’s digital Air Data Terminal
▪ Sensori (telecamera a colori diurna, telecamera infrarossi, puntatori laser)
 A terra:
▪ Stazione di controllo
▪ Ground data terminal
▪ Equipaggiamento per decollo e recupero


Compiti stazione di controllo:
 Generazione piano di volo
 Monitoraggio del volo
 Controllo dei sensori
 Correzione ed analisi delle immagini
 Cattura dati trasmessi da UAV
 Visualizzazione info geografiche e grafiche ottenute

Proprietà di volo:
 Autonomia: 6.25 ore
 Massima altitudine: 5500 metri
 Massimo carico: 100 Kg
 Area decollo atterraggio: 10 x 10 m
 Ottime performance volo punto fisso


UAV a rotori controrotanti
Lame da 203 cm
 Min vel 650 rpm
 Max vel 750 rpm
 Installazione senza strumenti, solo con attacco a molla e
spinotto

Temperature utilizzo: [-40°C , +57°C]

Motore :
 100 CV piatto nominale
 A combustibile pesante
 Pompa controllata da Integrated Avionics Computer

Serbatoi:
 Il maggiore nella parte alta, capacità 130 litri
 Il minore nella parte bassa, capacità 50 litri
 Comunicanti e dotati sensori di livello

Cambio a due marce




Localizzazione: parte centrale del velivolo
Rotori: alle due estremità
Posizione swashplate: tra i due rotori
Rotore principale:
 Gestione collettivo
 Gestione ciclico

Rotore secondario:
 Gestione collettivo

La struttura inferiore è composta da:
 Centraline collegate all’avionica
 Il sistema di distribuzione della benzina
 Puntelli per l’atterraggio
 Vari sensori

Avionica:
 Principale
▪ Integrated Avionic Computer (IAC): navigazione, guida, controllo
velivolo, stabilizzazione, computo altitudine, analisi sensori, controllo
motori, test integrità. Monta 2 Processori Intel i960:
▪ Flight control processor (FCP)
▪ Navigator control processor (NCP)
 Secondaria
▪
▪
▪
▪
▪
Inertial Measurement Unit (per odometria in caso di guasto GPS)
GPS receiver
Engine Control Unit (ECU)
Barometric Altitude Reference Unit (BARU)
Power Supply Unit (PSU)

Profilo di missione:
 Lancio a 350 Kg
 Salita (a 7.6 m/s) fino a quota di crociera
 Spostamenti a velocità di crociera per lunghi tratti
 Abbassamento fino a velocità di perlustrazione
 Perlustrazione in brevi tratti
 Salita fino a quota di crociera
 Ritorno al punto di recupero
 Discesa fino a quota 50 m sopra il luogo di recupero
 Volo a punto fisso per 30 minuti
 Atterraggio verticale sul luogo di recupero
750 rpm
750 rpm
750 rpm
650 rpm
650 rpm
750 rpm
650 rpm
650 rpm
650 rpm
650 rpm

Risultati ottenuti:
 Velocità di salita: 7.6 m/s
 Altitudine di spostamento: 5500 m
 Velocità massima: 157 Km/h
 Velocità minima: hover (volo fisso)
 Durata: 6.25 h (4.75 h ad 100 Km/h ed 50 Kg di carico)
 Raggio d’azione: 100 Km
 Massimo peso al lancio: 350 Kg
 Massimo carico: 100 Kg

Prestazioni in caso di pioggia:
 Vola con intensità di precipitazioni fino a 1.5 cm/h

Prestazioni in caso di neve:
 Resiste a 6 mm di ghiaccio ed 13 mm di neve
 Se accumulati a terra devono essere rimossi prima del volo

Metodi di guida:
 Manuale con joystick da centro di controllo
 Automatica attraverso successione di waypoint
modificabili a runtime

Ciascun waypoint è definito da una serie di
parametri includenti:
 Latitudine, longitudine, altitudine
 Velocità
 Stop_al_waypoint (TRUE/FALSE)
 Mission_End(TRUE/FALSE)

In Navigation Control Processor (in particolare attraverso
l’Integrated Navigation Filter) decide la modalità di
navigazione che può essere:
 GPS-aided: in cui si utilizza il segnale GPS
 NO-GPS-aided: in cui non è possibile utilizzare il
ricevitore GPS e dunque ci si deve basare
solamente su:
▪ Inertial Measurement Unit (Odometria)
▪ Barometric Altitude Reference Unit (per ottenere
informazioni di altitudine osservando la pressione
atmosferica)

Il CL-327 ha possibilità di eseguire autonomamente una missione
preprogrammata, come limitarsi a seguire in tempo reale le info di volo
comunicate.

I piani comunicativi devono dunque seguire uno dei seguenti
profili:
 Normal mode:comunicazione bidirezionale fra velivolo e stazione
 Silent mode: uplink ed down link sono interrotti intenzionalmente. Il velivolo
segue il piano di volo prestabilito
 Downlink only mode: solo l’uplink è interrotto. L’AV continuerà a trasmettere
in tempo reale tutti i dati raccolti fino a che si trova in missione
 Unscheduled mission plan updata: l’AV è in continuo ascolto per
eventualmente ricevere modifiche sul piano di volo

Nel caso in cui il CL-327 perda inaspettatamente il
segnale con il controllo di terra, entra in recovery
mode, dunque eseguirà le seguenti operazioni:
 Discesa sino ad una quota di 1500 metri
 Ritorno al waypoint ultimo raggiunto
 Attesa per 10 minuti in hover (volo stazionario) durante i
quali cerca di ristabilire il contatto con la base
 Al termine dei 10 minuti esegue l’atterraggio



Velocità di salita: 7.6 m/s
Velocità di discesa: 2.5 m/s
Spiazzo circolare di diametro 10 metri per decollo
Vento massimo: 30 nodi

Tipo di decollo-atterraggio:

 Manuale, guidato dall’UCS
 Automatico, per waypoint