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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
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Argomenti
Che cosa è un UAV
Perchè i Mini / Micro UAV
Il SISTEMA UAV
Attività presso il DIA
Conclusioni
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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
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UNMANNED VEHICLES nel mondo
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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
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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
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Immagine da miniUAV
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ESEMPI DI MiniUAV
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ARCTURUS T-15
Apertura alare 3m, Peso 25 Kg
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BirdEye 500 Backpackable UAV
Israel Aircraft Industries
Peso 5 Kg, Apertura alare 2 m, Lunghezza 1.5 m.
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Merlin Mini UAV (Sagem)
Peso 6 Kg, Apertura 1.6 m, Lunghezza 1 m
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Aladin Mini UAV (EMT)
Peso 3 Kg, Range 5 Km, Autonomia 45 min.
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ESEMPI DI MicroUAV
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Mikado Micro UAV (EMT)
Peso 0.5 Kg, Range 0.5 Km, Autonomia 20 min.
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CPX4 (concorso internazionale ONERA/DGA)
Ecoles ENSERG e ENSIEG (Francia)
Diametro 70 cm
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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
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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
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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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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.
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Il SISTEMA UAV - (Sistema Integrato)
PIATTAFORMA
GROUND STATION
SENSORI (PAYLOAD)
COMUNICAZIONE
Sistema Guida
Sistema Rilevamento Posizione
DownlinkUplink
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ATTIVITA’ DI RICERCA MULTIDISCPLINARE
Problema Aerodinamico Fondamentale: BASSI NUMERI DI REYNOLDS
Aircraft Design Flight Dynamics
Guidance & ControlPropulsion
Microelectronics Aerodynamics
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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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
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PROTOTIPO DI UAV SU CUI VALIDARE PROTOTIPI DI FCS E DI SISTEMI DI NAVIGAZIONE
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PROGETTO SCAUT(Sistema di Controllo Automatico del Territorio)
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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
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• 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
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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
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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