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

Perchè i Mini / Micro UAV Argomenti Che cosa è un UAV Perchè i Mini / Micro UAV Il SISTEMA UAV Attività presso il DIA Conclusioni

Si intende per UNMANNED AIR VEHICLE (UAV) 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

UNMANNED VEHICLES nel mondo

La struttura necessaria per l’operatività 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 Kg

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 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

Ala battente Apertura alare 70 cm Oiseau Artificiel (concorso internazionale ONERA/DGA) Ecole des Mines de Paris Ecole Centrale Paris Ala battente Apertura alare 70 cm UAV Addetto al controllo Ground Station Aerodinamica + Elettronica

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

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) 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) SENSORI (PAYLOAD) Sistema Guida PIATTAFORMA Sistema Rilevamento Posizione COMUNICAZIONE Uplink Downlink GROUND STATION

ATTIVITA’ DI RICERCA MULTIDISCPLINARE Aircraft Design Flight Dynamics Guidance & Control Propulsion Microelectronics Aerodynamics Problema Aerodinamico Fondamentale: BASSI NUMERI DI REYNOLDS

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 Range operativo Autonomia oraria Max. Altitudine Tipo di Propulsione Ambiente operativo Max. Velocita’ Min. Velocita’ Precisione nella posizione

Definizione della specifica - OVER THE HILL Payloads Range operativo Autonomia oraria Max. Altitudine Propulsione Ambiente operativo Max. Velocita’ Min. Velocita’ Precisione nella posizione Modulare, princ. videocamera, 220 g 10 Km 30 minuti 300 m Elettrica vento < 30 Km/h, raffiche a 40 > 60 Km/h < 30 Km/h < 10 m

Procedura semplificata di valutazione aerodinamica CONCEPTUAL DESIGN Procedura semplificata di valutazione aerodinamica

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

Definizione della specifica - URBAN CANYON Payloads Range operativo Autonomia oraria Max. Altitudine Propulsione Ambiente operativo Max. Velocita’ Min. Velocita’ Precisione nella posizione Modulare, princ. videocamera, 50 g 1 Km 15 minuti 100 m Elettrica vento < 30 Km/h, raffiche a 60 > 70 Km/h < 30 Km/h < 2 m

Esempio (Urban Canyon)

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 Ricevitore comandi Trasmettitore dati di bordo Data link Video link Telecamera Attuatori superfici mobili FLIGHT CONTROL COMPUTER Variazione spinta motore Sensori inerziali Ricevitore GPS

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

Il concetto di UAV e’ utilizzato da molti anni 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

Nuovi materiali e tecnologie Forte sviluppo dell’elettronica 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