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In questo lavoro di tesi sono riportati i risultati di un approfondito studio della
dinamica del volo di un Mini UAV a configurazione Tail-Sitter. Il progetto di
realizzazione di questo velivolo nasce dall'esigenza di conciliare la possibilità
di decollare e atterrare verticalmente, tipica dei multirotore, con l’efficienza
aerodinamica propria dei velivoli ad ala fissa. Il tutto nell'ottica di mantenere
una semplicità costruttiva che consenta il rispetto delle normative vigenti in
termini di affidabilità e sicurezza. Il risultato è lo sviluppo di una configurazione
innovativa, che unisce alla possibilità di decollare ed atterrare sulla propria coda
e ad una elevata autonomia ed efficienza aerodinamica, la completa assenza di
sistemi propulsivi, o portanti, orientabili.
A seguito di un’analisi aerodinamica CFD ed uno studio di missione, questo
lavoro si pone l’obiettivo di realizzare un’analisi accurata delle caratteristiche
dinamiche del velivolo. In particolare lo studio delle due condizioni operative
principali, il volo orizzontale e l’Hovering, e della manovra di decollo.
Il lavoro inizia con una valutazione delle caratteristiche aeromeccaniche longitudinali
del velivolo, che parallelamente ad uno studio strutturale, ha permesso
di valutare la più efficiente posizione del baricentro, una più corretta stima del
peso del velivolo, fino ad ora solo stimato, e ovviamente le sue caratteristiche
inerziali.
La seconda parte del lavoro ha riguardato la definizione dei sistemi linearizzati
in condizione di Hovering, volo orizzontale e volo verticale, al fine di valutare
la stabilità del velivolo e caratterizzarne la dinamica in termini di funzioni di
trasferimento.
La terza ed ultima parte ha invece riguardato lo studio della manovra di
transizione, cioè la fase di passaggio fra la condizione di Hovering e quella di
volo orizzontale. La manovra è stata studiata dapprima dal punto di vista
della meccanica del volo, valutando i principali limiti del velivolo e stimando
un range di parametri di manovra ammissibili per le sue capacità propulsive ed
aerodinamiche. Dopodichè, grazie ai modelli linearizzati definiti nella seconda
parte, è stata valutata l’impossibilità di effettuare la manovra manualmente, ed
è quindi stato ricercato un sistema che consentisse al velivolo di effettuare la
manovra in modo totalmente automatico.
La necessità di gestire con lo stesso sistema di controllo diverse condizioni
di volo molto differenti fra loro, ha portato alla realizzazione di due differenti
sistemi Autopilota MIMO, adibiti a stabilizzare il velivolo rispettivamente nelle
fasi a bassa e ad elevata velocità. I due sistemi agendo in parallelo, intervengono
rispettivamente sui controlli differenziali del motore e sui comandi aerodinamici.
Affinchè i due sistemi di controllo agissero correttamente assieme è stato realizzato
anche un sistema di gestione, una sorta di sistema di controllo aggiuntivo,
posto in serie ai due autopiloti, che agisce inviando i riferimenti da inseguire, e
selezionando, fra i due, il più indicato a controllare il velivolo in base ai parametri
di volo retrazionati.
In conclusione è stato realizzato un simulatore di volo non lineare per verificare
il corretto funzionamento delle leggi di controllo. Il simulatore, sfruttando
le equazioni non lineari di forze e momenti consente di simulare completamente
le manovre di transizione, così da verificare nella sua interezza il corretto
funzionamento del sistema di controllo.