ATTIVITA’ DEL DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA AEROSPAZIALE DI PISA NEL SETTORE DEI miniUAV

Mini e Micro UAV Lombardi et al. - DIA Pisa 1

ATTIVITA’ DEL DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA AEROSPAZIALE DI PISA

NEL SETTORE DEI miniUAV

A. Salvetti, G. Lombardi, R. Galatolo, C. Casarosa

Dipartimento di Ingegneria AerospazialeUniversità di Pisa

Ricerca e tecnologia per la sicurezza: la collaborazione tra Finmeccanica e il sistema universitario

Roma, Auditorium di Finmeccanica, 10 Nov. 2005

CRUI - FINMECCANICA


Argomenti

Che cosa è un UAV

Perchè i Mini / Micro UAV

Il SISTEMA UAV

Attività presso il DIA

Conclusioni


Che cosa è un UAV

Si intende per UNMANNED AIR VEHICLE (UAV)

Un veicolo senza pilota a bordo

Capace di eseguire una MISSIONE :

Controllata da terra

Automatica

Autonoma

Tipicamente la missione prevede il TRASPORTO DI SENSORI

con trasmissione a terra dei dati in tempo reale


UNMANNED VEHICLES nel mondo


Dimensioni degli UAV

Il concetto di UAV è indipendente dalle dimensioni

Le dimensioni influenzano comunque:

Le prestazioniLa struttura necessaria

per l’operatività

Con le dimensioni

Definizione (arbitraria) : MiniUAV

Dimensioni (fino a)

UAV

Massa (fino a)

≈ 1.5 m ≈ 70 cm

≈ 10 Kg ≈ 2 Kg


Perchè i Mini / Micro UAV

SOVRADIMENSIONATOcome portata

e costo d’impiego

SOTTODIMENSIONATO in termini di

informazione locali

Struttura necessaria per l’operatività IMPEGNATIVA

UAV grande

Difficoltà a operare in piccole aree

PROBLEMATICA: IMPIEGO IN AREE “LIMITATE”

VANTAGGI SIGNIFICATIVI NELL’USO DI PICCOLI UAV

• Rapidamente Dispiegabile • Basso Costo


Immagine da miniUAV


ESEMPI DI MiniUAV


ARCTURUS T-15

Apertura alare 3m, Peso 25 Kg


BirdEye 500 Backpackable UAV

Israel Aircraft Industries

Peso 5 Kg, Apertura alare 2 m, Lunghezza 1.5 m.


Merlin Mini UAV (Sagem)

Peso 6 Kg, Apertura 1.6 m, Lunghezza 1 m


Aladin Mini UAV (EMT)

Peso 3 Kg, Range 5 Km, Autonomia 45 min.


ESEMPI DI MicroUAV


Mikado Micro UAV (EMT)

Peso 0.5 Kg, Range 0.5 Km, Autonomia 20 min.


CPX4 (concorso internazionale ONERA/DGA)

Ecoles ENSERG e ENSIEG (Francia)

Diametro 70 cm


Oiseau Artificiel (concorso internazionale ONERA/DGA)

Ecole des Mines de ParisEcole Centrale Paris

Ala battenteApertura alare 70 cm

UAV

Ground Station Addetto al controlloAerodinamica + Elettronica


MISSIONI TIPICHE dei MINI/MICRO UAV

“OVER THE HILL”

“URBAN CANYON”

• Rilevamenti in zone oltre il range diretto dell’utilizzatore, per distanza o ostacoli geografici

Range max. 5 - 20 Km

• Rilevamenti in zone oltre il range diretto dell’utilizzatore, per ostacoli urbani

• Rilevamenti all’interno di edifici

Range max. 1 - 2 Km


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


POSSIBILI IMPIEGHI PER LA SICUREZZA (2/2)

POSSIBILI IMPIEGHI • Sorveglianza

• Scoperta di incendi

• Ponte per trasmissioni radio

• Analisi situazioni critiche senza impiego umano diretto:

Dentro zone incendiate Dentro abitazioni pericolanti In zone con forte inquinamento In zone difficilmente raggiungibili per frane, crollo ponti etc.


Il SISTEMA UAV - (Sistema Integrato)

PIATTAFORMA

GROUND STATION

SENSORI (PAYLOAD)

COMUNICAZIONE

Sistema Guida

Sistema Rilevamento Posizione

DownlinkUplink


ATTIVITA’ DI RICERCA MULTIDISCPLINARE

Problema Aerodinamico Fondamentale: BASSI NUMERI DI REYNOLDS

Aircraft Design Flight Dynamics

Guidance & ControlPropulsion

Microelectronics Aerodynamics


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


INDIVIDUAZIONE DELLA SPECIFICA

• Payloads Payloads • Range operativoRange operativo• Autonomia orariaAutonomia oraria• Max. AltitudineMax. Altitudine• Tipo di PropulsioneTipo di Propulsione• Ambiente operativoAmbiente operativo• Max. Velocita’Max. Velocita’• Min. Velocita’Min. Velocita’• Precisione nella posizionePrecisione nella posizione


Definizione della specifica - OVER THE HILL

• Payloads Payloads

• Range operativoRange operativo

• Autonomia orariaAutonomia oraria

• Max. AltitudineMax. Altitudine

• PropulsionePropulsione

• Ambiente operativoAmbiente operativo

• Max. Velocita’Max. Velocita’

• Min. Velocita’Min. Velocita’

• Precisione nella posizionePrecisione nella posizione

Modulare, princ. videocamera, 220 gModulare, princ. videocamera, 220 g

10 Km10 Km

30 minuti30 minuti

300 m300 m

ElettricaElettrica

vento < 30 Km/h, raffiche a 40vento < 30 Km/h, raffiche a 40

> 60 Km/h> 60 Km/h

< 30 Km/h< 30 Km/h

< 10 m< 10 m


CONCEPTUAL DESIGNProcedura semplificata di valutazione aerodinamica

L fuselage [m] = 0.980m0.120b [m] = 1.159

c mean [m] = 0.120Scontr [m2] = 0.05

CLMAX = 1.25VCR [m/s] = 20

VMAX [m/s] = 301+ = 1.3

Cf turbolent = 0.0043Cf laminar = 0.0011

max altitude [m]= 300endurance [h] = 0.500endurance [s] = 1800

propeller efficiency = 0.600gravimetric energy density [W*h / kg] = 275

electric efficiency = 0.700Voltage [Volts] = 10

engine system = 0.050voltage damper, propeller, gear = 0.100

servo = 0.040radio receiving = 0.100

structure = 0.380payload = 0.220batteries = 0.072

mass [kg]

INPUT D A T ASwet fuselage [m 2] = 0.369

S wing planform [m 2] = 0.139Swet total [m 2] = 0.748

Re = 1.342E+06q, dynamic pressure [N/m 2] = 245

D friction = 0.497D pressure = 0.099

D induced = 0.112D residual = 0.071

D total = 0.779W/S = 67.8

CL = 0.28Vmin [m/s] = 9.41

basic total mass [kg]= 0.670total mass without batteries [kg]= 0.890

TOTAL mass [kg]= 0.962

Aerodynamic Efficiency = 12.1Power to flight [Watt] = 15.6

engine power - cruise [Watt] = 26.0Max engine power [Watt] = 87.7

engine system (evaluated) [kg] = 0.050Total Energy [W*s] = 49583.9Total Energy [W*h] = 13.8

batteries mass (evaluated) [kg] = 0.072current intensity - cruise [A] = 2.6

max current intensity [A] = 8.8

D R A G [N]

EVALUATED DATA


Esempio (Over the Hill)

E’ STATO REALIZZATO UN PROTOTIPO CHE HA DIMOSTRATO DI POTER

COMPIERE LA MISSIONE

Apertura alare ≈ 1.2 mPeso ≈ 1 Kg

Carico utile 220 grAutonomia 30 min.


Definizione della specifica - URBAN CANYON

• Payloads Payloads

• Range operativoRange operativo

• Autonomia orariaAutonomia oraria

• Max. AltitudineMax. Altitudine

• PropulsionePropulsione

• Ambiente operativoAmbiente operativo

• Max. Velocita’Max. Velocita’

• Min. Velocita’Min. Velocita’

• Precisione nella posizionePrecisione nella posizione

Modulare, princ. videocamera, 50 gModulare, princ. videocamera, 50 g

1 Km1 Km

15 minuti15 minuti

100 m100 m

ElettricaElettrica

vento < 30 Km/h, raffiche a 60vento < 30 Km/h, raffiche a 60

> 70 Km/h> 70 Km/h

< 30 Km/h< 30 Km/h

< 2 m< 2 m


Esempio (Urban Canyon)

L fuselage [m] = 0.500m0.070b [m] = 0.600

c mean [m] = 0.230Scontr [m2] = 0.01

CLMAX = 0.80VCR [m/s] = 15

VMAX [m/s] = 251+ = 1.3

Cf turbolent = 0.0052Cf laminar = 0.0019

max altitude [m]= 100endurance [h] = 0.250endurance [s] = 900

propeller efficiency = 0.600gravimetric energy density [W*h / kg] = 275

electric efficiency = 0.700Voltage [Volts] = 10

engine system = 0.024voltage damper, propeller, gear = 0.050

servo = 0.020radio receiving = 0.040

structure = 0.150payload = 0.050batteries = 0.012

mass [kg]

INPUT D A T ASwet fuselage [m 2] = 0.110

S wing planform [m 2] = 0.138

Swet total [m 2] = 0.406Re = 5.137E+05

q, dynamic pressure [N/m 2] = 138

D friction = 0.197D pressure = 0.039

D induced = 0.096D residual = 0.033

D total = 0.366W/S = 24.6

CL = 0.18Vmin [m/s] = 7.09

basic total mass [kg]= 0.284total mass without batteries [kg]= 0.334

TOTAL mass [kg]= 0.347

Aerodynamic Efficiency = 9.3Power to flight [Watt] = 5.5

engine power - cruise [Watt] = 9.1Max engine power [Watt] = 42.4

engine system (evaluated) [kg] = 0.024Total Energy [W*s] = 8574.4Total Energy [W*h] = 2.4

batteries mass (evaluated) [kg] = 0.012current intensity - cruise [A] = 0.9

max current intensity [A] = 4.2

D R A G [N]

EVALUATED DATA


PROTOTIPO DI UAV SU CUI VALIDARE PROTOTIPI DI FCS E DI SISTEMI DI NAVIGAZIONE


PROGETTO SCAUT(Sistema di Controllo Automatico del Territorio)


ELEMENTI ESSENZIALI DI UN SISTEMA DI CONTROLLO DEL VOLO DI UN mini(micro)-UAV

FLIGHTCONTROL

COMPUTER

Attuatorisuperfici

mobili

Variazionespinta motore

Ricevitorecomandi

Sensoriinerziali

RicevitoreGPS

Trasmettitore dati di bordo

Video link

Telecamera

Data link


• 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

SVILUPPO DI SISTEMI DI MISURA DEL MOTO


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


CONCLUSIONI (2/2)

Controllo automatico dei miniUAV

Riduzione di pesi e dimensioni dei sensori

Negli ultimi anni:

Riduzione dei pesi strutturali

Forte sviluppo dell’elettronica

Nuovi materiali e tecnologie

Grandi potenzialità per avere Mini e micro UAV piu’ EFFICACI ed EFFICIENTI

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