Metodi di soluzione guasti nel volo in formazione di velivoli autonomi Candidato: Simone Di Nisio Relatori: Prof. M.Innocenti Prof. A. Balestrino

2 Introduzione Volo automatico di velivoli in formazione –Mantenimento di una formazione Riconfigurazione in caso di guasti automatizzata Estensione del procedimento ad altri sistemi dinamici –Analogie nella gestione dei guasti

3 Organizzazione del lavoro svolto Gestione del volo in formazione Topologia della formazione vista come grafo Mappe di riconfigurazione –Perdita dellaereo –Rottura del trasmettitore –Rottura del ricevitore Controllore della formazione Modello Simulink Formations Manager

4 Gestione del volo in formazione Gestore della formazione –Centralizzato –Decentralizzato Scelta di un gestore decentralizzato –Lalgoritmo di decisione distribuito deve produrre risultati coincidenti su tutti gli aerei Canali di comunicazione –Point-to-Point –Broadcast

5 Formazione rappresentata con un grafo pesato ed orientato –Posizione dellaereo nella formazione nodo –Canale di comunicazione arco Assegnazione dei pesi agli archi Introduzione del Virtual Leader Utilizzo dellalgoritmo di Dijkstra per trovare un albero di copertura di costo minimo Topologia della formazione vista come grafo

6 Possibili configurazioni della formazione Le topologie previste per formazioni composte da un numero di aerei minore od uguale a 6 sono illustrate in figura

7 Mappe di riconfigurazione (1) Il rilevamento di guasti puo rendere necessario il cambio di posizione di qualche aereo, per ristabilire una configurazione ottimale della formazione In ciascun aereo viene eseguita una procedura che implementa le mappe di riconfigurazione Decisioni contrastanti che porterebbero due o piu aerei a spostarsi nella stessa posizione sono escluse

8 Mappe di riconfigurazione: perdita aereo (2) Descriviamo il caso in cui si ha la perdita del leader di una formazione composta da 6 aerei A seconda dello stato del TX degli aerei in seconda linea, si effettua uno spostamento per assegnare un nuovo leader alla formazione

9 Mappe di riconfigurazione: perdita aereo (3) Per ottenere una topologia a V rovesciata, sono richiesti altri cambi di posizione, che sono scelti in base a quanto descritto dalla mappa di riconfigurazione illustrata in figura

10 Mappe di riconfigurazione: rottura del TX (4) Nel caso di guasti al TX di un aereo puo rendersi necessario un cambio di posizione per ripristinare dei canali di comunicazione che sono diventati inutilizzabili Laereo con il TX rotto con una manovra precalcolata si sposta in una posizione di comodo, dietro la formazione Gli altri aerei si comportano similmente al caso della perdita di un velivolo, eseguendo le mappe di riconfigurazione In seguito laereo con il TX guasto, rientra nella formazione in una delle posizioni libere in ultima fila

11 Mappe di riconfigurazione: rottura del TX (5) Un caso interessante da discutere e la rottura del trasmettitore in una formazione di 5 aerei Il temporaneo allontanamento dellaereo con il TX rotto, provoca una riconfigurazione che utilizza le mappe da 5 a 4 che non sono invertibili Dei particolari accorgimenti consentono la gestione corretta della situazione

12 Mappe di riconfigurazione: rottura del RX (6) Occorre precisare che nel caso di guasto al RX non si eseguono le mappe di riconfigurazione Se sono verificate delle condizioni che portano al cambio del leader, questo si sposta dietro la formazione, laereo con il ricevitore guasto va nel nodo 1, e infine il leader rientra nello schieramento posizionandosi nel nodo appena lasciato libero

13 Controllore della formazione (1) Ciascun aereo trasmette la propria posizione assoluta e la traiettoria seguita allaereo che lo assume come riferimento (aereo follower) Laereo che riceve questi dati regola la propria distanza relativa dal riferimento utilizzando il controllore schematizzato nella figura seguente

14 Controllore della formazione (2)

15 Formations Manager (1) Il modello della formazione capace di riconfigurarsi automaticamente in presenza di fault e stato realizzato con lausilio di MATLAB 6.0, in particolare con due suoi toolbox: Simulink e Stateflow Stateflow e stato utilizzato per limplementazione dellautoma a stati finiti che consente la gestione dei guasti

16 Formations Manager (2)

17 Formations Manager (3)

18 Esempio: perdita aereo 3 (1) Illustriamo il caso in cui si verifichi la perdita dellaereo in posizione 3 in una formazione di 6 aerei. Le mappe di riconfigurazione prevedono che laereo in posizione 5 si sposti nel nodo 3, se ha il TX funzionante, portando cosi la formazione in una topologia a V rovesciata

19 Esempio: perdita aereo 3 (2) Prima del fault lalbero di copertura di costo minimo trovato dallalgoritmo di Dijkstra e mostrato in figura

20 Esempio: perdita aereo 3 (3) Quando il resto della formazione si accorge della perdita dellaereo 3, ciascun aereo riesegue lalgoritmo di Dijkstra, riconfigurando cosi il proprio canale di configurazione

21 Esempio: perdita aereo 3 (4) Laereo 5 e quello scelto dalle mappe di riconfigurazione per ricoprire la posizione lasciata libera Prima di cominciare lo spostamento, spegne il proprio TX e da il tempo allaereo 6 di cambiare riferimento

22 Esempio: perdita aereo 3 (5) Una volta arrivato in posizione 3, laereo 5 segnala la fine del suo spostamento a tutta la formazione. In seguito alla nuova esecuzione dellalgoritmo di Dijkstra, laereo 5 prende come riferimento laereo 1 ed e di riferimento per laereo 6

23 Esempio: perdita aereo 3 (6) Laereo 5 prima del cambio di posizione, e durante, prende riferimento dallaereo 2. La distanza che deve mantenere da questo prima del cambio e di 20 ft lungo lasse x e -20 ft lungo lasse y. Andandosi a posizionare nel nodo 3, la nuova distanza da mantenere per laereo 5 e di 0 ft lungo lasse x e -40 ft lungo lasse y Giunto in posizione e preso come riferimento laereo 1, la nuova distanza da mantenere torna ad essere di 20 ft lungo lasse x e -20 ft lungo lasse y

24 Esempio: perdita aereo 3 (6) Landamento dellerrore di posizione lungo lasse x e lungo lasse y sono diversi da zero, durante il cambiamento di nodo. Dopo un transitorio di una decina di secondi lerrore di posizione torna ad essere nullo

25 Esempio: perdita aereo 3 (7) Andamento del modulo della velocita, dellangolo di Flight Path e di quello di Heading, dellaereo 5

26 Esempio: perdita aereo 3 (8) Evoluzione del diagramma Stateflow allinterno dellaereo 5 –Prima della perdita dellaereo 3 –Appena viene scelto per il cambio di posizione dalla mappa di riconfigurazione

27 Esempio: perdita aereo 3 (9) Allinterno del sottodiagramma RM –Laereo 5 provvede a spegnere il proprio trasmettitore –Effettua una manovra che non prevede variazioni dellaltezza dal suolo

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