Modelli di simulazione dinamica, leggi di controllo e strategie di Sense and Avoid per un Remotely Piloted Air System (RPAS)

I
Sommario 
Il presente lavoro si articola all’interno di un'attività di ricerca più ampia, condotta dal 
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale dell'Università di Pisa che riguarda lo sviluppo di 
un Remotely Piloted Air System (RPAS), a partire da un aeromodello ad ala rotante in 
possesso del Dipartimento. Con RPAS si intende un sistema volante il cui controllo in 
remoto può essere semplicemente assistito (modalità automatica) oppure totalmente 
effettuato dal sistema stesso che esegue una missione predefinita (modalità autonoma). 
In particolare, questa tesi si è concentrata sullo sviluppo di modelli per la simulazione del 
volo dell’RPAS e delle leggi di controllo ottenute per la modalità di volo autonomo. 
Per poter realizzare una simulazione dinamica in modalità autonoma, è stato necessario 
mettere a punto un Flight Management System (FMS), capace di fornire agli autopiloti i 
segnali da inseguire nella diverse fasi di missione.  
E’ stato, infine, sviluppato ed implementato un prototipo per le logiche di Sense and 
Avoid, che permettono al sistema di “percepire” ostacoli fissi e mobili e di eseguire 
opportune manovre per evitarli, all’interno della missione programmata.
II
Introduzione 
Questo lavoro di tesi ha riguardato lo sviluppo di modelli per la simulazione del volo e di 
leggi di controllo per un Remotely Piloted Air System (RPAS), un sistema volante che 
viene controllato in modalità remota. 
La scelta del software da utilizzare è ricaduta sull’ambiente di simulazione Simulink, un 
tool di Matlab, che ha permesso la modellizzazione e la simulazione dinamica 
dell’elicottero di riferimento, l’X-Cell 60.  
Per lo sviluppo del software, si è partiti da un modello della dinamica elaborato in un 
precedente lavoro di tesi [2] e sulle pubblicazioni di Gavrilets e Mettler ([5] [7] [8]). 
Tale modello, che è stato specializzato all’RPAS di riferimento, è stato preso come banco 
di prova per lo sviluppo dei sistemi di controllo. A partire da questo modello della 
dinamica si è proceduto, infatti, alla definizione delle leggi di controllo di tipo autopilota 
necessari per realizzare il controllo del volo. Sono stati realizzati, in particolare, i 
controllori che consentono la regolazione dell’assetto, della velocità di imbardata e della 
quota dell’elicottero. 
Si è, quindi, proceduto alla simulazione del volo dell’RPAS in modalità autonoma, 
assegnando una missione in termini di waypoints nello spazio, tipicamente costituita dalle 
fasi di: decollo, diverse fasi di cruise ed atterraggio. 
Si è reso necessario lo sviluppo di un Flight Management System (FMS), cioè il sistema di 
controllo di bordo, che ha il compito di fornire agli autopiloti gli opportuni segnali da 
inseguire nelle diverse fasi di missione. L’FMS prende in ingresso i waypoints del piano di 
volo, li confronta con i dati di posizione e velocità reali dell’elicottero ed elabora i comandi 
da fornire al sistema di autopiloti., in termini di velocità, angolo di rotta e quota di 
riferimento  
Attualmente, non sono ancora in vigore delle regolamentazioni per gli RPAS che 
permettono di ottenere il certificato di navigabilità per l’integrazione di tali sistemi nello
III
spazio aereo civile. E’ comunque certo, dalle bozze disponibili di tali regolamentazioni, 
che sarà necessario prevedere l’installazione a bordo di un apposito sistema di Sense and 
Avoid (SAA), in quanto la semplice visualizzazione dello scenario di volo mediante 
telecamere sul segmento di volo ed appositi display nella stazione a terra non è ritenuta 
sufficientemente equivalente alla percezione visiva di un pilota a bordo dell’aeromobile.  
Il sistema SAA avrà, quindi, il compito primario di individuare possibili ostacoli (altri 
velivoli od ostacoli a terra) in rotta di collisione, dandone pronta segnalazione al pilota. 
Successivamente, lo stesso sistema dovrà anche essere in grado di pianificare e mettere in 
atto una manovra evasiva, se la modalità di volo inserita dal pilota a terra lo prevede.  
Le funzioni svolte dai sistemi SAA, si articolano quindi in due fasi. La prima fase, detta di 
Sense, permette di ricevere i segnali relativi alla posizione e alla velocità di eventuali 
ostacoli presenti sulla rotta dell’RPAS, attraverso l’installazione a bordo di tutta una serie 
di sensori. Nella seconda fase, quella di Avoid, il sistema confronta i dati forniti dalla 
funzione Sense relativi all’ostacolo e al segmento di volo ed elabora, attraverso opportune 
logiche, una traiettoria detta appunto di Avoid.  
In questo lavoro è stato quindi sviluppato un sistema SAA in grado di modificare la 
traiettoria prestabilita nella missione, in caso di possibile collisione, e di fornire una nuova 
traiettoria attraverso la creazione di nuovi waypoints da inviare all’FMS. Per fare ciò, si è 
limitato lo studio del modello alla sola fase di volo autonomo in fase di crociera e a quota 
costante, che costituisce la base di partenza per un sistema più completo. 
Nell’ultimo capitolo vengono riportati ed analizzati i risultati ottenuti attraverso varie 
simulazioni per il sistema precedentemente descritto.  
Attraverso tests di simulazione di severità crescente, è stata quindi validata l’attendibilità 
dell’architettura precedentemente descritta che costituisce la base di un sistema RPAS in 
grado di eseguire autonomamente delle missioni prestabilite. 
Si è visto che il sistema dimostra un comportamento soddisfacente in termini di riposta 
dinamica. In particolare, nel test più impegnativo che prevede l’esecuzione di una missione 
sia nel piano longitudinale che verticale e la presenza di un ostacolo, il sistema è capace di 
programmare autonomamente una missione di Avoid, di ritornare sulla rotta iniziale e 
quindi di portare a termine la missione con accettabili errori sulla posizione.
Capitolo 1. Introduzione al concetto di RPAS
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Capitolo 1. Introduzione al concetto di RPAS 
1.1 Generalità e classificazione 
Con la sigla RPAS (Remotely Piloted Air System) si intende un sistema volante a 
pilotaggio remoto, controllato via radio o via satellite da una postazione fissa o mobile a 
terra (Ground Control Station, GCS) che può essere dislocata anche a molta distanza dal 
teatro operativo. Il pilotaggio remoto della macchina può essere semplicemente assistito e 
semplificato da un sistema di aumento della stabilità (Stability Augmentation System, 
SAS) a bordo, oppure interamente affidato a un opportuno sistema per la gestione del volo 
che sostituisce del tutto l’operatore umano. Nel resto della trattazione, per il primo caso si 
parlerà di volo in modalità automatica mentre nel secondo si parlerà di modalità autonoma, 
nella quale la missione verrà eseguita in base a dei piani di volo prestabiliti, senza 
l’intervento ottico del pilota a terra. 
Anche se vi è un’uniformità di definizioni, si intrudono anche altri due concetti, molto 
comuni in ambiente aeronautico. 
Con la sigla Unmanned Aerial System (UAS), si indica un concetto molto simile alla 
precedente definizione di RPAS, mentre la definizione di Unmanned Aerial Vehicle (UAV) 
si riferisce al solo segmento di volo, non includendo, cioè, tutti gli elementi costituenti il 
sistema completo, come ad esempio la Ground Control Station (GCS). 
Nel seguito della trattazione, quindi, con gli acronimi RPAS, UAS e UAV si farà 
riferimento alle definizioni appena fornite in questa sezione.  
Vari sono i vantaggi in termini di peso e costo per gli UAV rispetto ai tradizionali sistemi 
con pilota a bordo. Tali sistemi, infatti, non hanno la necessità di avere una zona 
sufficientemente ampia in fusoliera per accogliere il pilota e non richiedono 
un’ingombrante strumentazione di bordo.  
Le capacità di manovra degli aeromobili convenzionali sono inoltre vincolate ai limiti 
fisiologici dei piloti in termini di accelerazioni valutate in “g”. Rimuovendo il pilota dal
Capitolo 1. Introduzione al concetto di RPAS
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velivolo si eliminano tutti i requisiti tipici richiesti dalla presenza a bordo del pilota, 
portando l’interfaccia uomo / macchina a terra.  
Si hanno, inoltre, nuove possibilità in termini di architettura strutturale che possono essere 
sfruttate per produrre velivoli più piccoli e più performanti, dovendo installare solo una 
parte degli impianti per il controllo del mezzo. Si arriva così a UAV fino a due volte più 
piccoli e fino a un quarto più leggeri rispetto ad un velivolo tradizionale con equivalenti 
funzioni, che consentono di imbarcare un maggiore carico utile e di avere una maggiore 
manovrabilità. 
Per tutti questi motivi, tali sistemi, inizialmente sviluppati per scopi prettamente militari, si 
stanno sempre più diffondendo anche in campo civile. 
Questi sistemi sono spesso preferiti per svolgere alcuni particolari tipi di missione che in 
gergo anglosassone sono identificate come Dirty, Dull, Dangerous [13]: 
- Dirty: missioni sporche, in cui l’ambiente è contaminato da inquinamento nucleare, 
chimico o batteriologico, tali da essere pericolose per la salute dell’equipaggio. 
- Dull: missioni “monotone”, tipicamente di lunga durata come la sorveglianza e la 
ricognizione, in cui la capacità di resistenza e di efficacia del pilota umano pone un 
limite alla durata della missione. 
- Dangerous: missioni pericolose con sorvolo di aree ostili che mettono a rischio 
l’incolumità dell’equipaggio. 
Com’è prevedibile, esistono svariati tipi di UAV che si differenziano per l'architettura di 
base, dimensioni, prestazioni ed autonomia. Una possibile classificazione, fatta in base al 
range e alla quota operativa, divide gli UAV in “endurance” e tattici.  
La categoria endurance è suddivisa a sua volta in sistemi a lungo raggio ed alta quota 
(HALE, High Altitude Long Endurance, Fig. 1.1-a) e sistemi a lungo raggio e quota 
intermedia (MALE, Medium Altitude Long Endurance, Fig.1.1-b). Gli UAV tattici 
(tactical UAV, TUAV, Fig. 1.1-c), invece, comprendono sistemi a breve raggio, cui si 
affiancano sistemi UAV di piccole dimensioni (Mini UAV e Micro UAV, MAV, Figure 
1.1-d e 1.1-e) impiegati direttamente da operatori sul campo [9].
Capitolo 1. Introduzione al concetto di RPAS
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Tabella 1.1 – Tipologie di UAV 
(a)                                                                     (b) 
   (c)                                                                       (d) 
                  (e) 
Figura 1.1 – Tipologie di UAV
Capitolo 1. Introduzione al concetto di RPAS
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Così come per i velivoli tradizionali, anche per gli UAV esistono configurazioni ad ala 
fissa e ad ala rotante. Per i primi si mantiene la dizione UAV, mentre per i secondi si 
preferisce la sigla RUAV (Rotary Unmanned Aerial Vehicle). 
I sistemi ad ala fissa sono stati inizialmente scelti come piattaforma per lo sviluppo di 
RPAS per molteplici ragioni: presentano una struttura semplice, efficiente e facile da 
realizzare. Di conseguenza, anche il progetto dei sistemi automatici di controllo, come ad 
esempio i sistemi autopilota, risulta più agevole rispetto ai velivoli ad ala rotante, grazie 
alla relativa semplicità ed alla simmetria di tale architettura, che permette notevoli 
semplificazioni nello studio della dinamica. 
I velivoli RUAV, a dispetto di una maggiore complessità strutturale e di un’autonomia 
inferiore rispetto ai mezzi ad ala fissa, possiedono però alcune importanti caratteristiche, 
preferibili in certe circostanze. 
Questi mezzi sono, infatti, dotati della capacità di decollo e atterraggio verticale (VTOL, 
Vertical Take-Off and Landing) che consente di poter sfruttare ridotti spazi per le 
operazioni di lancio e recupero del RUAV. Sono in grado, inoltre, di poter operare a 
velocità di crociera relativamente basse e di poter rimanere in volo a punto fisso 
(hovering). 
Tuttavia, attualmente non esiste ancora una normativa di regolamentazione per gli RPAS, 
che quindi risultano sprovvisti del certificato di navigabilità per operare nello spazio aereo 
civile. Per poter volare in questi spazi aerei, bisogna allora operare in condizioni di volo 
“scomode” (quote segregate, aeroplani di sorveglianza, osservatori a terra, etc.), in modo 
da garantire la sicurezza del volo ed ottenere le relative autorizzazioni. 
Quale che sarà la normativa futura, è comunque certo, dalle bozze disponibili su tali 
regolamentazioni, che sarà necessario prevedere l’installazione a bordo di un apposito 
sistema di Sense and Avoid (SAA), in quanto la semplice visualizzazione dello scenario di 
volo mediante telecamere sull’UAV ed appositi display nelle stazioni a terra non è ritenuta 
altrettanto affidabile rispetto al controllo visivo di un pilota a bordo del velivolo.  
I sistemi SAA devono, però, dimostrare affidabilità e robustezza rigorose, al pari cioè dei 
sistemi di navigazione convenzionali ad alte prestazioni, installati a bordo dei velivoli 
tradizionali; affidabilità e robustezza che dovranno essere verificate tramite opportuni tests, 
ancora in fase di definizione.
Capitolo 1. Introduzione al concetto di RPAS
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1.2 Sviluppi futuri 
Mentre in ambito militare i sistemi RPAS aumentano in numero e tipo, in ambito civile le 
autorità aeronautiche dovranno essere preparate per controllare la proliferazione di tali 
sistemi nello spazio aereo nazionale, internazionale. Per far ciò il mondo aeronautico dovrà 
definire procedure di de-confliction di questi sistemi ed operare verso la loro integrazione. 
Obiettivo del prossimo futuro è, quindi, soprattutto quello di sviluppare sistemi Sense and 
Avoid sufficientemente robusti ed affidabili. Questa strada apre la possibilità per sistemi 
RPAS di poter programmare un piano di volo e volare all’interno del traffico aereo 
commerciale, con le stesse leggi di separazione in quota utilizzate dai velivoli commerciali. 
Si prevede che entro il 2025, gli operatori di UAV potranno programmare dei piani di volo 
per volare ovunque nello spazio aereo nazionale ed internazionale. 
Inoltre, una nuova categoria ancora in fase di definizione è costituita dagli UAV da 
combattimento (combat UAV o UCAV), equipaggiati con sistemi SAA in grado di gestire, 
istante per istante, uno scontro bellico con velivoli tradizionali o con altri UAV. 
In futuro, quindi, i progressi tecnologici permetteranno agli UAV di effettuare sia missioni 
programmate che missioni critiche non programmabili, dette “time sensitive”, aprendo così 
il campo a compiti multi-ruolo, possibilmente anche nell’ambito della stessa missione. 
Infine, una considerazione strettamente riguardante le categorie Micro e Mini UAV 
(categoria di cui fa parte l’elicottero di riferimento del seguente lavoro) riguarda i sistemi 
di propulsione; la maggior parte di tali mezzi utilizza, per il proprio sostentamento, dei 
motori elettrici che ne limitano l’autonomia a tempi dell’ordine dell’ora. Tali motori 
elettrici vengono alimentati, per gli attuali MAV, da batterie a litio appositamente 
concepite.  
Il futuro per quanto riguarda i sistemi di accumulo di energia sembra, invece, essere una 
tecnologia sviluppata dalla NASA che prevede nuove batterie Aria-Zinco con celle ad alta 
densità, in grado di offrire a parità di peso una potenza notevolmente superiore rispetto alle 
batterie al litio tradizionali.