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Metodi di soluzione guasti nel volo in formazione di velivoli
autonomi
Candidato:
Simone Di Nisio
Relatori:
Prof. M.Innocenti
Prof. A. Balestrino
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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
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Organizzazione del lavoro svolto
• Gestione del volo in formazione• Topologia della formazione vista come grafo• Mappe di riconfigurazione
– Perdita dell’aereo
– Rottura del trasmettitore
– Rottura del ricevitore
• Controllore della formazione• Modello Simulink Formation’s Manager
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Gestione del volo in formazione
• Gestore della formazione– Centralizzato
– Decentralizzato
• Scelta di un gestore decentralizzato– L’algoritmo di decisione distribuito deve produrre
risultati coincidenti su tutti gli aerei
• Canali di comunicazione– Point-to-Point
– Broadcast
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• Formazione rappresentata con un grafo pesato ed orientato– Posizione dell’aereo nella formazione nodo
– Canale di comunicazione arco
• Assegnazione dei pesi agli archi• Introduzione del Virtual Leader • Utilizzo dell’algoritmo di Dijkstra per trovare un
albero di copertura di costo minimo
Topologia della formazione vista come grafo
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Possibili configurazioni della formazione
• Le topologie previste per formazioni composte da un numero di aerei minore od uguale a 6 sono illustrate in figura
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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
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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
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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
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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
• L’aereo 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 l’aereo con il TX guasto, rientra nella formazione in una delle posizioni libere in ultima fila
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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 dell’aereo 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
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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, l’aereo con il ricevitore guasto va nel nodo 1, e infine il leader rientra nello schieramento posizionandosi nel nodo appena lasciato libero
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Controllore della formazione (1)
• Ciascun aereo trasmette la propria posizione assoluta e la traiettoria seguita all’aereo che lo assume come riferimento (aereo follower)
• L’aereo che riceve questi dati regola la propria distanza relativa dal riferimento utilizzando il controllore schematizzato nella figura seguente
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Controllore della formazione (2)
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Formation’s Manager (1)
• Il modello della formazione capace di riconfigurarsi automaticamente in presenza di fault e’ stato realizzato con l’ausilio di MATLAB 6.0, in particolare con due suoi toolbox: Simulink e Stateflow
• Stateflow e’ stato utilizzato per l’implementazione dell’automa a stati finiti che consente la gestione dei guasti
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Formation’s Manager (2)
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Formation’s Manager (3)
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Esempio: perdita aereo 3 (1)
• Illustriamo il caso in cui si verifichi la perdita dell’aereo in posizione 3 in una formazione di 6 aerei.
• Le mappe di riconfigurazione prevedono che l’aereo in posizione 5 si sposti nel nodo 3, se ha il TX funzionante, portando cosi’ la formazione in una topologia a ‘V’ rovesciata
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Esempio: perdita aereo 3 (2)
• Prima del fault l’albero di copertura di costo minimo trovato dall’algoritmo di Dijkstra e’ mostrato in figura
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Esempio: perdita aereo 3 (3)
• Quando il resto della formazione si accorge della perdita dell’aereo 3, ciascun aereo riesegue l’algoritmo di Dijkstra, riconfigurando cosi’ il proprio canale di configurazione
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Esempio: perdita aereo 3 (4)
• L’aereo 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 all’aereo 6 di cambiare riferimento
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Esempio: perdita aereo 3 (5)
• Una volta arrivato in posizione 3, l’aereo 5 segnala la fine del suo spostamento a tutta la formazione.
• In seguito alla nuova esecuzione dell’algoritmo di Dijkstra, l’aereo 5 prende come riferimento l’aereo 1 ed e’ di riferimento per l’aereo 6
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Esempio: perdita aereo 3 (6)• L’aereo 5 prima del cambio di
posizione, e durante, prende riferimento dall’aereo 2.
• La distanza che deve mantenere da questo prima del cambio e’ di 20 ft lungo l’asse x e -20 ft lungo l’asse y.
• Andandosi a posizionare nel nodo 3, la nuova distanza da mantenere per l’aereo 5 e’ di 0 ft lungo l’asse x e -40 ft lungo l’asse y
• Giunto in posizione e preso come riferimento l’aereo 1, la nuova distanza da mantenere torna ad essere di 20 ft lungo l’asse x e -20 ft lungo l’asse y
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Esempio: perdita aereo 3 (6)
• L’andamento dell’errore di posizione lungo l’asse x e lungo l’asse y sono diversi da zero, durante il cambiamento di nodo.
• Dopo un transitorio di una decina di secondi l’errore di posizione torna ad essere nullo
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Esempio: perdita aereo 3 (7)
• Andamento del modulo della velocita’, dell’angolo di Flight Path e di quello di Heading, dell’aereo 5
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Esempio: perdita aereo 3 (8)
• Evoluzione del diagramma Stateflow all’interno dell’aereo 5– Prima della perdita
dell’aereo 3
– Appena viene scelto per il cambio di posizione dalla mappa di riconfigurazione
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Esempio: perdita aereo 3 (9)
• All’interno del sottodiagramma RM– L’aereo 5 provvede a
spegnere il proprio trasmettitore
– Effettua una manovra che non prevede variazioni dell’altezza dal suolo
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