Analisi e realizzazione di un sistema basato su sensori inerziali per la misurazione in volo della forma di un drone ad ala fissa

Both in the design phase and during the test campaign, it is very useful to know how a fixed wing drone deforms during flight. However, this information is particularly difficult to estimate and measure. The following study therefore aims to create a system for measuring the deformation of a fixed wing drone in flight, with particular interest to the wing and tail plane. Currently there are various solutions to detect the deformation of an aircraft, the method adopted in this study uses only multiple IMU sensors type MEMS with 9 DoF. A sensor, called "master", is located on the center of mass of the aircraft, whose purpose is to determine the rigid motion of the drone. Other sensors, called "slaves", are placed on the structures of interest whose purpose is to detect, at every moment, the true orientation of the points where they are placed. It is therefore possible to obtain the offset between the indeformed position and the real one by comparing the real orientation of the structures, obtained by the "slave" sensors, with the hypothetical indeformed orientation obtained by the "master" sensor. In a first step, the performance of the sensor orientation estimation algorithm, based on the extended Kalman filter, was analyzed. It was then necessary to simulate the complete system to investigate the minimum number of sensors, their optimal position, sampling frequency and minimum sensor performance to obtain accurate results. To simplify the verification of the accuracy of the real system, it was chosen to apply the measurement method created to an aluminum rod whose static and dynamic behaviors are easily simulable. Therefore the results of these simulations were considered as a reference and compared with the estimates of the measurement method created. The system tested has shown good results, sanctioning the possibility of continuing with tests on a drone.

Sia in fase di progettazione, sia durante la campagna test, risulta molto utile conoscere come un drone ad ala fissa si deforma durante il volo. Tuttavia, tale informazione risulta particolarmente difficile da stimare e misurare. Il seguente studio si pone quindi l’obbiettivo di realizzare un sistema di misurazione della deformata di un drone ad ala fissa in volo, con particolare interesse all’ala e al piano di coda. Attualmente esistono varie soluzioni per rilevare la deformazione di un velivolo, il metodo adottato in questo studio fa uso esclusivamente di molteplici sensori IMU di tipo MEMS a 9 DoF. Un sensore, chiamato “master”, è posizionato sul centro di massa del velivolo, il cui scopo è quello di determinare il moto rigido del drone. Altri sensori, chiamati “slave”, sono posti sulle strutture di interesse il cui scopo è di rilevare in ogni istante la vera orientazione dei punti in cui sono posti. È quindi possibile ottenere lo scostamento tra la posizione indeformata e quella reale confrontando l’orientazione reale delle strutture, ottenuta dai sensori “slave”, con l’ipotetica orientazione indeformata ricavata dal sensore “master”. In una prima fase sono state analizzate le performance dell’algoritmo di stima dell’orientazione dei sensori, basato sul filtro di Kalman esteso. È stato poi necessario simulare il sistema completo per indagare quale fosse il numero minimo di sensori, la loro posizione ottimale, la frequenza di campionamento e le performance minime dei sensori per ottenere dei risultati accurati. Per semplificare la verifica dell’accuratezza del sistema reale, si è scelto di applicare il metodo di misura creato ad un’asta di alluminio i cui comportamenti statici e dinamici sono facilmente simulabili. Perciò i risultati di tali simulazioni sono stati considerati come riferimento e confrontati con le stime del metodo di misurazione creato. Il sistema testato ha mostrato dei buoni risultati sancendo la possibilità di proseguire con i test su un drone.