ITBO20070223A1 - AIR VEHICLE. - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
VEICOLO AEREO. PLANE VEHICLE.
La presente invenzione è relativa ad un veicolo aereo ed in particolare ad un veicolo aereo senza equipaggio in grado di decollare e atterrare verticalmente e di variare l'assetto dinamicamente al fine di ottimizzare l’efficienza del volo. The present invention relates to an aerial vehicle and in particular to an unmanned aerial vehicle capable of taking off and landing vertically and dynamically varying the attitude in order to optimize flight efficiency.
La tipologia di veicolo cui si fa riferimento è nota con l’acronimo di UAV (Unmanned Aerial Veichle) che nel caso di configurazione a dimensione ridotta diviene Mini o Micro UAV. The type of vehicle referred to is known by the acronym of UAV (Unmanned Aerial Veichle) which in the case of a reduced size configuration becomes Mini or Micro UAV.
Questi velivoli trovano vantaggiosa applicazione nella video sorveglianza mobile, nel monitoraggio del territorio, per esempio nella identificazione precoce degli incendi, nella fotografia aerea, nel controllo del traffico e delle coste, nel reperimento di informazioni meteo ed in tutti quegli ambiti in cui sono richieste buona mobilità, grande versatilità e dimensioni ridotte. These aircraft find advantageous application in mobile video surveillance, in monitoring the territory, for example in the early identification of fires, in aerial photography, in traffic and coast control, in finding weather information and in all those areas where good mobility, great versatility and small size.
Un esempio di UAV è descritto nel brevetto US 5150857 relativo ad un velivolo comprendente una fusoliera sostanzialmente toroidale che circonda una coppia di eliche coassiali e controrotanti. An example of a UAV is described in US patent 5150857 relating to an aircraft comprising a substantially toroidal fuselage surrounding a pair of coaxial and counter-rotating propellers.
In questo caso, la fusoliera toroidale ha configurazione aerodinamica ottimizzata per ridurre il rollio nel volo traslato. In this case, the toroidal fuselage has an optimized aerodynamic configuration to reduce roll in translated flight.
Tale tipologia di veicolo presenta inconvenienti dovuti alla struttura meccanica dello stesso. This type of vehicle has drawbacks due to its mechanical structure.
Le due eliche, di cui una prevista per generare un’anticoppia necessaria per mantenere l’equilibrio del velivolo attorno all’asse di rotazione delle eliche stesse, hanno un notevole ingombro e sono scarsamente affidabili a causa della complessità meccanica richiesta per il loro funzionamento. La doppia elica inoltre comporta un elevato consumo di carburante limitando pertanto l’autonomia del velivolo. The two propellers, one of which is designed to generate an anti-torque necessary to maintain the balance of the aircraft around the rotation axis of the propellers themselves, have a considerable size and are poorly reliable due to the mechanical complexity required for their operation. The double propeller also involves a high fuel consumption thus limiting the autonomy of the aircraft.
Un altro tipo di UAV è descritto nel documento US6604706 relativo ad un aeromobile a decollo verticale ed idoneo al volo traslato il cui assetto è controllato tramite un giroscopio. Another type of UAV is described in document US6604706 relating to an aircraft with vertical take-off and suitable for translated flight, the attitude of which is controlled by means of a gyroscope.
Tale UAV è provvisto di un’elica di propulsione a passo variabile in grado di regolare ed orientare la forza di propulsione dovuta all’elica stessa e comprende una pluralità di superfici aerodinamiche per ottimizzare il volo. Un UAV di questo tipo presenta una complessità meccanica e di guidabilità notevoli entrambe dovute all’elica a passo variabile. This UAV is equipped with a variable pitch propulsion propeller capable of adjusting and orienting the propulsion force due to the propeller itself and includes a plurality of aerodynamic surfaces to optimize flight. A UAV of this type has considerable mechanical complexity and driveability both due to the variable pitch propeller.
Le ampie superfici aerodinamiche inoltre rendono la struttura dell’aeromobile molto ingombrante, difficilmente trasportabile e difficilmente utilizzabile in quegli scenari in cui l’aeromobile debba muoversi in ambienti ricchi di ostacoli. The large aerodynamic surfaces also make the aircraft structure very bulky, difficult to transport and difficult to use in those scenarios where the aircraft has to move in environments full of obstacles.
In questo contesto, il compito tecnico precipuo della presente invenzione è proporre un veicolo aereo esente dai suddetti inconvenienti. Uno scopo della presente invenzione è proporre un veicolo aereo meccanicamente molto semplice e pertanto poco costoso. In this context, the main technical task of the present invention is to propose an aerial vehicle free from the aforementioned drawbacks. An object of the present invention is to propose a mechanically very simple and therefore inexpensive aerial vehicle.
Un altro scopo delia presente invenzione è proporre un veicolo aereo di dimensioni compatte, di facile utilizzo e molto versatile. Another object of the present invention is to propose an air vehicle of compact size, easy to use and very versatile.
Uno scopo ancora è proporre un veicolo aereo capace di muoversi liberamente in qualunque ambiente, sia all’aperto che al chiuso, in terreno libero o in presenza di ostacoli. Another aim is to propose an aerial vehicle capable of moving freely in any environment, both outdoors and indoors, in free terrain or in the presence of obstacles.
In particolare è scopo della presente invenzione proporre un veicolo aereo in grado di interagire con l'ambiente esterno, ad esempio accostandosi in sicurezza a pareti o piante. In particular, it is an object of the present invention to propose an aerial vehicle capable of interacting with the external environment, for example by approaching safely walls or plants.
Un ulteriore scopo è proporre un veicolo aereo facilmente trasportabile nelle zone di lavoro. A further object is to propose an aerial vehicle that can be easily transported to the work areas.
Il compito tecnico indicato e gli scopi specificati sono sostanzialmente raggiunti da un veicolo aereo avente le caratteristiche tecniche indicate nella rivendicazione indipendente 1 ed in una o più delle rivendicazioni dipendenti. The indicated technical task and the specified aims are substantially achieved by an air vehicle having the technical characteristics indicated in the independent claim 1 and in one or more of the dependent claims.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione indicativa, e pertanto non limitativa, di una forma di realizzazione preferita ma non esclusiva di un veicolo aereo come illustrato negli uniti disegni, in cui: Further characteristics and advantages of the present invention will become clearer from the indicative, and therefore non-limiting, description of a preferred but not exclusive embodiment of an air vehicle as illustrated in the accompanying drawings, in which:
la figura 1 illustra una prima forma realizzativa di un veicolo aereo secondo la presente invenzione in una vista prospettica schematica; la figura 2a illustra uno schema di una prima forma realizzativa di un apparato di comando per un veicolo secondo la presente invenzione; le figure 2b e 2c illustrano schematicamente una pluralità di comandi implementabili con l’apparato di comando di figura 2a; Figure 1 illustrates a first embodiment of an air vehicle according to the present invention in a schematic perspective view; Figure 2a illustrates a diagram of a first embodiment of a control apparatus for a vehicle according to the present invention; Figures 2b and 2c schematically illustrate a plurality of commands that can be implemented with the control apparatus of Figure 2a;
la figura 2d illustra l’apparato di comando dei veicolo di figura 1 , in una prima configurazione operativa in una vista schematica in pianta dall’alto; Figure 2d illustrates the control apparatus of the vehicle of Figure 1, in a first operational configuration in a schematic top plan view;
la figura 3 illustra la sezione Ili-Ili dell’apparato di comando di figura 2d; Figure 3 illustrates the section III-III of the control apparatus of figure 2d;
la figura 4 illustra l’apparato di figura 2b in una vista prospettica schematica; Figure 4 illustrates the apparatus of Figure 2b in a schematic perspective view;
la figura 5 illustra l’apparato di comando di figura 2b in una seconda configurazione operativa, in una vista prospettica schematica; Figure 5 illustrates the control apparatus of Figure 2b in a second operating configuration, in a schematic perspective view;
la figura 6 illustra l’apparato di comando di figura 2b in una terza configurazione operativa in una vista prospettica schematica; Figure 6 illustrates the control apparatus of Figure 2b in a third operating configuration in a schematic perspective view;
la figura 7 illustra un particolare in scala ingrandita dell’apparato di figura 6; figure 7 illustrates a detail on an enlarged scale of the apparatus of figure 6;
la figura 8 illustra uno schema relativo ad una prima variante relativa alla distribuzione delle masse in un veicolo secondo la presente invenzione; Figure 8 illustrates a diagram relating to a first variant relating to the distribution of the masses in a vehicle according to the present invention;
la figura 9 illustra uno schema relativo ad una seconda variante relativa alla distribuzione delle masse in un veicolo secondo la presente invenzione; Figure 9 illustrates a diagram relating to a second variant relating to the distribution of the masses in a vehicle according to the present invention;
la figura 10 illustra una seconda forma realizzativa di un veicolo secondo la presente invenzione in una vista prospettica fortemente schematica; Figure 10 illustrates a second embodiment of a vehicle according to the present invention in a strongly schematic perspective view;
- la figura 11 illustra uno schema a blocchi relativo ad un sistema di controllo per un velivolo secondo la presente invenzione; Figure 11 illustrates a block diagram relating to a control system for an aircraft according to the present invention;
la figura 12 illustra uno schema esemplificativo di una modalità di controllo espressione del funzionamento del sistema di controllo di figura 11; Figure 12 illustrates an exemplary diagram of a control mode expressing the operation of the control system of Figure 11;
- la figura 13 illustra schematicamente un anello di retroazione facente parte della modalità di controllo di figura 12. Figure 13 schematically illustrates a feedback loop forming part of the control mode of Figure 12.
Conformemente ai disegni allegati e con particolare riferimento alla figura 1 , con il numero 1 è illustrato un veicolo aereo o velivolo secondo la presente invenzione. In accordance with the accompanying drawings and with particular reference to Figure 1, the number 1 illustrates an air vehicle or aircraft according to the present invention.
II velivolo 1 , come sarà di seguito descritto è idoneo sia al volo stazionario sia al volo traslato come sarà illustrato, limitatamente alla comprensione dell'invenzione. The aircraft 1, as will be described below, is suitable for both stationary flight and translated flight as will be illustrated, limited to the understanding of the invention.
Il veicolo 1 aereo comprende una fusoliera 2 o tubo “duct”, sostanzialmente tubolare, presentante un asse D principale, che definisce un canale 3 per un flusso VR d’aria di spinta o sostentamento. The aerial vehicle 1 comprises a fuselage 2 or "duct" tube, substantially tubular, having a main axis D, which defines a channel 3 for a flow VR of thrust or support air.
La fusoliera 2 definisce una struttura “ducted” che delimita, sostanzialmente, il corpo del velivolo 1. Fuselage 2 defines a “ducted” structure which substantially delimits the body of the aircraft 1.
In particolare, il veicolo 1 comprende un apparato 4 di sostentamento per generare il citato flusso di sostentamento. In particular, the vehicle 1 comprises a sustenance apparatus 4 for generating the aforementioned sustenance flow.
L’apparato 4 di sostentamento comprende un rotore 5 vantaggiosamente posizionato all’interno della fusoliera 2 e con asse R di rotazione sostanzialmente coincidente con la direzione D. The supporting apparatus 4 comprises a rotor 5 advantageously positioned inside the fuselage 2 and with rotation axis R substantially coinciding with the direction D.
Nella preferita forma realizzativa illustrata il rotore 5 è definito da un’elica cui si farà esplicito riferimento nel seguito senza per questo perdere di generalità. In the preferred embodiment illustrated, the rotor 5 is defined by a propeller which will be explicitly referred to below without losing generality.
Vantaggiosamente, in funzione in particolare della dimensione radiale del canale 3, il rotore 5 è definito da una ventola o da un’elica. Advantageously, depending in particular on the radial dimension of the channel 3, the rotor 5 is defined by a fan or a propeller.
In particolare per diametri piccoli si utilizza un rotore a foggia di ventola, per quelli grandi rotori a forma di elica. In particular, for small diameters a fan-shaped rotor is used, for large ones a propeller-shaped rotor.
Preferibilmente, il rotore 5 è definito da una ventola in quanto consente di ridurre le dimensioni e l’ingombro del velivolo 1. Preferably, the rotor 5 is defined by a fan as it allows to reduce the size and encumbrance of the aircraft 1.
In pratica il rotore 5 è definito come elica o come ventola in funzione delle missioni a cui è destinato il velivolo 1. In practice, the rotor 5 is defined as a propeller or as a fan according to the missions for which the aircraft 1 is intended.
È importante osservare che l'utilizzo della fusoliera 2 tubolare (Duct) è finalizzato all’aumento delle prestazioni dell’apparato 4 di sostentamento. It is important to note that the use of the tubular fuselage 2 (Duct) is aimed at increasing the performance of the supporting apparatus 4.
La fusoliera 2 tubolare funge anche da protezione delle parti mobili del velivolo 1 durante l’interazione con l’ambiente e viceversa ovvero protegge l’ambiente esterno dalle parti mobili del velivolo 1. The tubular fuselage 2 also acts as a protection for the moving parts of the aircraft 1 during interaction with the environment and vice versa, i.e. it protects the external environment from the moving parts of the aircraft 1.
È importante osservare che l’apparato 4 di sostentamento comprende un solo rotore 5 deputato esclusivamente alla generazione del flusso di sostentamento. It is important to note that the sustenance apparatus 4 includes a single rotor 5 exclusively dedicated to the generation of the sustenance flow.
È altresì importante evidenziare che nella preferita forma realizzativa illustrata in figura 1 , nel caso di elica 5, la stessa è del tipo a passo fisso, ovvero sono assenti i passi ciclico e collettivo che complicherebbero la struttura meccanica dell’apparato 4 di sostentamento. It is also important to point out that in the preferred embodiment illustrated in Figure 1, in the case of propeller 5, the same is of the fixed pitch type, i.e. the cyclic and collective steps that would complicate the mechanical structure of the support apparatus 4 are absent.
L’apparato 4 di sostentamento comprende dei mezzi 6 motori collegati all’elica 5 per porla in rotazione e per regolare l’intensità del flusso di sostentamento. The sustenance apparatus 4 includes 6 motor means connected to the propeller 5 to set it in rotation and to regulate the intensity of the sustenance flow.
Il veicolo 1 comprende un apparato 7 di comando per garantire la controllabilità del velivolo sia durante il volo stazionario che il volo traslato. The vehicle 1 comprises a control apparatus 7 to ensure the controllability of the aircraft both during the stationary flight and the translated flight.
In generale un oggetto volante è controllabile se è possibile assegnargli velocità di traslazione, di rotazione ed orientarlo a piacere rispetto ad un sistema di riferimento fisso. In general, a flying object can be controlled if it is possible to assign translation and rotation speeds and orient it as desired with respect to a fixed reference system.
L’apparato 7 di comando ha inoltre il compito di rendere stabile l’assetto ottenuto al fine di eseguire le comuni operazioni normalmente richieste al veicolo 1 , come, ad esempio, il decollo e l’atterraggio, la stabilità nel volo stazionario, piccoli spostamenti in assetto di volo stazionario, spostamenti veloci in assetto di minima resistenza aerodinamica, avvicinamento ed interazione con pareti verticali, soffitti ed oggetti. Tale operatività è resa possibile utilizzando principalmente forze aerodinamiche generate deviando opportunamente il flusso d’aria generato dall’elica 5 per il sostentamento o la traslazione. The control apparatus 7 also has the task of stabilizing the attitude obtained in order to carry out the common operations normally required of the vehicle 1, such as, for example, take-off and landing, stability in stationary flight, small movements. in stationary flight attitude, fast movements in attitude of minimum aerodynamic resistance, approach and interaction with vertical walls, ceilings and objects. This operation is made possible mainly by using aerodynamic forces generated by appropriately diverting the air flow generated by the propeller 5 for support or translation.
In pratica, in base alla giacitura della spinta dovuta all’apparato 4 di sostentamento rispetto al peso del veicolo 1 e al rapporto tra le forze aerodinamiche attive sul veicolo 1, è possibile dirigere il velivolo 1, controllarne l’assetto e la quota. In practice, based on the position of the thrust due to the support apparatus 4 with respect to the weight of the vehicle 1 and the relationship between the aerodynamic forces active on the vehicle 1, it is possible to direct the aircraft 1, control its attitude and altitude.
Preferibilmente, l’apparato 7 di comando comprende una pluralità di superfici 8 aerodinamiche esposte al flusso d’aria generato dall’elica 5. Vantaggiosamente, le superfici 8 aerodinamiche sono posizionate all’interno della fusoliera 2, inferiormente rispetto all’elica 5 come visibile nella figura 1. Preferably, the control apparatus 7 comprises a plurality of aerodynamic surfaces 8 exposed to the air flow generated by the propeller 5. Advantageously, the aerodynamic surfaces 8 are positioned inside the fuselage 2, below the propeller 5 as can be seen in Figure 1.
Si osservi che il confinamento delie superfici 8 aerodinamiche e dell’elica 5 all'interno della fusoliera 2 rende il veicolo 1 particolarmente sicuro nell’iterazione con l’ambiente esterno ad esempio in ambienti affollati come possono essere quelli abituali di applicazioni indoor. Vantaggiosamente, le superfici 8 aerodinamiche sono orientabili per deviare il flusso in modo da ottenere l’effetto desiderato che si può schematicamente tradurre in spostamenti e rotazioni lungo gli assi del sistema di riferimento assoluto. It should be noted that the confinement of the aerodynamic surfaces 8 and of the propeller 5 inside the fuselage 2 makes the vehicle 1 particularly safe in the interaction with the external environment, for example in crowded environments such as those usual for indoor applications. Advantageously, the aerodynamic surfaces 8 are orientable to divert the flow in order to obtain the desired effect which can be schematically translated into displacements and rotations along the axes of the absolute reference system.
In altre parole le superfici 8 consentono di condizionare il flusso di sostentamento e controllare il volo del veicolo 1. In other words, the surfaces 8 allow to condition the flow of sustenance and to control the flight of the vehicle 1.
In primo luogo, le superfici 8 aerodinamiche servono per generare un'anticoppia da opporre alla coppia dovuta all’elica 5 per evitare che il veicolo 1 ruoti su se stesso attorno all’asse R. First, the aerodynamic surfaces 8 are used to generate an anti-torque to oppose the torque due to the propeller 5 to prevent the vehicle 1 from rotating on itself around the R axis.
Parallelamente, le superfici 8 aerodinamiche deviano il flusso di sostentamento per imporre al velivolo 1 i desiderati movimenti nello spazio. Un sistema 9 di controllo sovrintende all’apparato 4 di sostentamento e all’apparato 7 dì comando. In parallel, the aerodynamic surfaces 8 divert the flow of support to impose on the aircraft 1 the desired movements in space. A control system 9 supervises the sustenance apparatus 4 and the command apparatus 7.
In pratica, il sistema 9 di controllo governa le superfici 8 aerodinamiche e l’apparato 4 di sostentamento per controllare l'assetto del veicolo 1 , come sarà meglio descritto in seguito. In practice, the control system 9 governs the aerodynamic surfaces 8 and the support apparatus 4 to control the attitude of the vehicle 1, as will be better described below.
Il controllo dell’assetto avviene proiettando la spinta dovuta all’elica 5 in tutte le direzioni dello spazio ottenendo conseguentemente la possibilità del veicolo 1 di spostarsi in tutte le direzioni. The attitude control takes place by projecting the thrust due to the propeller 5 in all directions of space, consequently obtaining the possibility of the vehicle 1 to move in all directions.
Schematicamente e a titolo di esempio, nel caso particolare di volo stazionario devono valere Schematically and by way of example, in the particular case of hovering they must apply
dove: P = peso del velivolo 1 applicato al baricentro where: P = weight of aircraft 1 applied to the center of gravity
T = spinta di sostentamento statica o dinamica T = static or dynamic support thrust
M = momento di T rispetto al baricentro M = moment of T with respect to the center of gravity
L’apparato 4 di sostentamento è in pratica in grado di modificare il rapporto T/P e la direzione di T rispetto a quella di P, con lo scopo di controllare M. The sustenance apparatus 4 is in practice able to modify the ratio T / P and the direction of T with respect to that of P, with the aim of controlling M.
Rispetto ad un sistema di riferimento assoluto XYZ, le rotazioni intorno agli assi X ed Y sono di seguito indicate per semplicità con un rispettivo angolo θXe θy(i quali sono nulli quando T è verticale) mentre la rotazione intorno all’asse Z è indicata con ψ che è comunemente detto angolo di “heading”. Compared to an absolute reference system XYZ, the rotations around the X and Y axes are indicated below for simplicity with a respective angle θXe θy (which are zero when T is vertical) while the rotation around the Z axis is indicated with ψ which is commonly called the heading angle.
Dato ξ = T / P , gli spostamenti lungo Z si ottengono facilmente modulando il valore di ξ. Given ξ = T / P, the displacements along Z are easily obtained by modulating the value of ξ.
Per ξ < 1 si ha la discesa del velivolo 1 , per ξ = 1 il volo livellato dello stesso mentre per ξ >1 la salita. For ξ <1 there is the descent of the aircraft 1, for ξ = 1 the level flight of the same while for ξ> 1 the climb.
Gli spostamenti in X ed Y si possono ottenere regolando il valore degli angoli θXe θy. The displacements in X and Y can be obtained by adjusting the value of the angles θXe θy.
Agli angoli θχe θyè associata la direzione di T la quale, se non è perfettamente verticale, proietta una forza sul piano XY che genera uno spostamento del velivolo 1 nella direzione della proiezione. The direction of T is associated to the angles θχ and θy which, if it is not perfectly vertical, projects a force on the XY plane which generates a displacement of the aircraft 1 in the direction of the projection.
Tutte le azioni di comando si riducono, schematicamente, al controllo dell'angolo ψ e quindi del momento su Z, al controllo degli angoli θxe θye quindi del momenti su X ed Y, al controllo della spinta lungo Z. Nella preferita forma realizzativa illustrata nelle figure da 2 a 7, le superfici 8 aerodinamiche sono disposte su un unico livello L All the command actions are reduced, schematically, to the control of the angle ψ and therefore of the moment on Z, to the control of the angles θxe θy and therefore of the moments on X and Y, to the control of the thrust along Z. In the preferred embodiment illustrated in the Figures 2 to 7, the aerodynamic surfaces 8 are arranged on a single level L
Le superfici 8 sono fra loro cooperanti per generare l’anticoppia e per proiettare nello spazio detto flusso di spinta e ciascuna di esse è girevole attorno ad un rispettivo asse R1, R2,...,Rn di rotazione. The surfaces 8 cooperate with each other to generate the anti-torque and to project said thrust flow into space and each of them is rotatable around a respective rotation axis R1, R2, ..., Rn.
In altre parole, l'apparato 7 di comando comprende un insieme di superfici 8 aerodinamiche o alette per rendere completamente attuato l'assetto del velivolo rendendo disponibili tre coppie in ingresso sul sistema velivolo 1 sui tre assi principali. In other words, the control apparatus 7 comprises a set of aerodynamic surfaces 8 or fins for making the aircraft attitude fully implemented by making three input pairs available on the aircraft system 1 on the three main axes.
Fissato un sistema di riferimento x,y, e z incentrato nel centro di gravità del velivolo 1 , in cui l’asse x definisce l’asse longitudinale del veicolo 1 , l’asse y l’asse laterale o trasversale e l’asse z l’asse verticale, l’apparato 7 di comando è previsto per controllare la coppia lungo l’asse z verticale e per controllare la coppia lungo gli assi x ed y longitudinale e laterale. Il controllo della coppia lungo l’asse verticale si traduce nel controllo dell’angolo di “yaw” (imbardata, “b”) del veicolo 1 e nella compensazione della coppia generata dall’apparato 4 di sostentamento. Fixed a reference system x, y, and z centered in the center of gravity of the aircraft 1, where the x axis defines the longitudinal axis of the vehicle 1, the y axis the lateral or transverse axis and the z axis l vertical axis, the control apparatus 7 is provided to control the torque along the vertical z axis and to control the torque along the longitudinal and lateral x and y axes. The control of the torque along the vertical axis translates into the control of the angle of "yaw" (yaw, "b") of the vehicle 1 and in the compensation of the torque generated by the support apparatus 4.
Il controllo della coppia lungo gli assi x ed y si traduce nel controllo degli angoli di “roll” (rollio, “r”) e “pitch” (beccheggio, “p") del veicolo 1 e nella scomposizione vettoriale della spinta aerodinamica dell'elica 5 principale. The control of the torque along the x and y axes translates into the control of the "roll" (roll, "r") and "pitch" (pitch, "p") angles of vehicle 1 and in the vector decomposition of the aerodynamic thrust of the 5 main propeller.
L’angolo di heading e l’angolo di imbardata sono sostanzialmente coincidenti a meno di eventuali perturbazioni esterne e pertanto si utilizza nel seguito, se non diversamente indicato, indifferentemente heading per rotazioni attorno agli assi verticali assoluto e relativo. Con particolare riferimento alla figura 2a, la preferita configurazione complanare dell’apparato 7 di comando presenta quattro alette 8 disposte sull’unico livello L. The heading angle and the yaw angle are substantially coincident unless there are any external perturbations and therefore it is used below, unless otherwise indicated, indifferently heading for rotations around the absolute and relative vertical axes. With particular reference to Figure 2a, the preferred coplanar configuration of the control apparatus 7 has four fins 8 arranged on the single level L.
Preferibilmente, le alette 8 sono azionabili indipendentemente l’una dall’altra. Preferably, the fins 8 can be operated independently of each other.
Nella preferita forma reaiizzativa illustrata, le alette 8 sono disposte lungo due diametri D1 e D2 fra loro ortogonali tracciati all'interno della fusoliera 2 tubolare. In the preferred embodiment illustrated, the fins 8 are arranged along two diameters D1 and D2 orthogonal to each other traced inside the tubular fuselage 2.
Preferibilmente, i diametri D1 e D2 vengono scelti come orientati secondo i citati assi x ed y longitudinale e laterale. Preferably, the diameters D1 and D2 are chosen as oriented according to the longitudinal and lateral x and y axes.
Una prima coppia di alette 8a, 8b è posizionata lungo diametro D1 ed una seconda coppia di alette 8c, 8d è disposta sul diametro D2. A first pair of fins 8a, 8b is positioned along the diameter D1 and a second pair of fins 8c, 8d is arranged on the diameter D2.
Le alette 8 di ciascuna coppia presentano il corrispondente asse R1 , R2 di rotazione sostanzialmente coincidente con il rispettivo diametro D1 , D2 di giacitura. The fins 8 of each pair have the corresponding rotation axis R1, R2 substantially coincident with the respective lying diameter D1, D2.
Schematicamente, il funzionamento dell’apparato 7 di comando avviene miscelando le richieste di coppia lungo i corrispondenti assi x, y e z. I comandi di controllo determinati dal citato sistema 9 di controllo impongono, in pratica, l'angolo di passo delle alette 8 rispetto al vento relativo, ovvero rispetto al flusso d’aria VR generato dall'elica 5 principale. Schematically, the operation of the control apparatus 7 takes place by mixing the torque requests along the corresponding x, y and z axes. The control commands determined by the aforementioned control system 9 impose, in practice, the pitch angle of the fins 8 with respect to the relative wind, or rather with respect to the air flow VR generated by the main propeller 5.
Per semplicità descrittiva si farà nel seguito riferimento ad una serie di comandi A, B e C che corrispondono, rispettivamente, ad una richiesta di coppia lungo gli assi y, x e z del velivolo 1. For the sake of simplicity, reference will be made hereinafter to a series of commands A, B and C which correspond, respectively, to a torque request along the y, x and z axes of the aircraft 1.
II controllo della coppia lungo l'asse verticale z avviene preferibilmente tramite il comando C che agisce simultaneamente su tutte e quattro le alette 8a, 8b, 8c, 8d . Torque control along the vertical axis z is preferably performed by means of the control C which acts simultaneously on all four fins 8a, 8b, 8c, 8d.
In questo modo, le quattro alette 8a, 8b, 8c, 8d possono essere identificate come un sistema anti-coppia attivo in grado di garantire controllabilità dell'angolo di imbardata. In this way, the four fins 8a, 8b, 8c, 8d can be identified as an active anti-torque system capable of guaranteeing controllability of the yaw angle.
Il controllo della coppia lungo l'asse longitudinale x avviene preferibilmente tramite il comando B che agisce solo sulle alette 8a, 8b disposte secondo l'asse longitudinale x. Torque control along the longitudinal axis x is preferably performed by means of the control B which acts only on the fins 8a, 8b arranged along the longitudinal axis x.
Tramite il comando B si genera pertanto, in pratica, una forza FL1 , FL2 laterale ovvero diretta secondo y, sul piano xy. By means of command B, therefore, in practice, a force FL1, FL2, lateral or direct according to y, on the xy plane, is generated.
Questa forza genera un momento attorno all’asse x longitudinale del velivolo 1 che vede sostanzialmente come braccio la distanza delle alette 8a dal centro di massa del velivolo 1. This force generates a moment around the longitudinal x axis of the aircraft 1 which essentially sees the distance of the fins 8a from the center of mass of the aircraft 1 as an arm.
Il controllo della coppia lungo l'asse laterale y avviene tramite il comando A che agisce solo sulle alette 8c, 8d disposte secondo l'asse laterale y. Torque control along the lateral y axis occurs by means of the command A which acts only on the fins 8c, 8d arranged along the lateral y axis.
Tramite questo comando si genera pertanto, in pratica, una forza FL3, FL4 longitudinale, ovvero diretta secondo x, sul piano xy. This command therefore generates, in practice, a longitudinal force FL3, FL4, that is direct according to x, on the xy plane.
Questa forza genera un momento attorno all’asse y laterale del velivolo 1 che vede come braccio la distanza delle alette 8c, 8d dal centro di massa del velivolo 1. This force generates a moment around the lateral y axis of the aircraft 1 which sees the distance of the fins 8c, 8d from the center of mass of the aircraft 1 as an arm.
Con riferimento alla figura 2b, con i riferimenti 20, 30, 40 e 50 sono indicate schematicamente le configurazioni relative alla miscelazione dei citati comandi A, B e C con le relative forze risultanti applicate al velivolo 1. With reference to Figure 2b, the references 20, 30, 40 and 50 schematically indicate the configurations relating to the mixing of the aforementioned controls A, B and C with the related resulting forces applied to the aircraft 1.
Con il numero 20 è illustrata la situazione relativa alla somma dei comandi B e C. Number 20 illustrates the situation relating to the sum of commands B and C.
Con il numero 30 è illustrata la situazione relativa alla somma del comando C con un comando B di segno opposto rispetto al precedente (-B). Number 30 illustrates the situation relating to the sum of command C with a command B of opposite sign compared to the previous one (-B).
Con il numero 40 è illustrata la situazione relativa alla somma dei comandi A e C. Number 40 illustrates the situation relating to the sum of commands A and C.
Con il numero 50 è illustrata la situazione relativa alla somma del comando C con un comando A di segno opposto rispetto al precedente (-A). Number 50 illustrates the situation relating to the sum of command C with a command A of opposite sign compared to the previous one (-A).
Con riferimento anche alla figura 2c, si osservi che con FD1 , FD2, FD3 e FD4 sono indicati i contributi alla regolazione della coppia attorno all’asse z. With reference also to figure 2c, it should be noted that with FD1, FD2, FD3 and FD4 the contributions to the torque regulation around the z axis are indicated.
Con particolare riferimento alle figure da 11 a 13, è illustrata, in particolare, una schematizzazione del sistema 9 di controllo e delle modalità operative dello stesso. With particular reference to Figures 11 to 13, a schematic diagram of the control system 9 and of its operating modes is shown in particular.
Secondo quanto illustrato nella figura 11 , il sistema 9 di controllo comprende una stazione 100 di terra ed una stazione 101 di bordo, ovvero installata sul velivolo 1 a differenza della stazione 100 che interagisce con il velivolo 1 remotamente. As illustrated in Figure 11, the control system 9 comprises a ground station 100 and an on-board station 101, that is, installed on the aircraft 1 unlike the station 100 which interacts with the aircraft 1 remotely.
La stazione 100 di terra comprende una unità 102 computerizzata di controllo e comando associata a corrispondenti mezzi 104 di trasmissione tramite un’opportuna antenna 103 per scambiare informazioni con la stazione 101 di bordo. The ground station 100 comprises a computerized control and command unit 102 associated with corresponding transmission means 104 through a suitable antenna 103 to exchange information with the on-board station 101.
L’antenna 103 ed i mezzi 104 di trasmissione sono di tipo sostanzialmente noto e pertanto non descritti nei dettaglio. The antenna 103 and the transmission means 104 are of a substantially known type and therefore not described in detail.
La stazione 100 comprende altresì dei mezzi 105 di interfaccia tramite i quali un generico operatore OP interagisce con l’unità 102. The station 100 also comprises interface means 105 through which a generic operator OP interacts with the unit 102.
Vantaggiosamente, i mezzi 105 comprendono una tastiera non illustrata. Advantageously, the means 105 comprise a keyboard not shown.
Preferibilmente, i mezzi 105 di interfaccia comprendono un joystick tramite il quale l’operatore OP comanda, in particolare, il volo del velivolo 1 con le modalità descritte in seguito. Preferably, the interface means 105 comprise a joystick through which the operator OP controls, in particular, the flight of the aircraft 1 with the methods described below.
La stazione 101 di bordo comprende una unità 106 computerizzata di controllo e comando destinata in particolare all’elaborazione delle informazioni scambiate con la stazione 100 di terra e alla generazione dei comandi per gli apparati 4, 7 di sostentamento e comando. The station 101 on board includes a computerized control and command unit 106 intended in particular for processing the information exchanged with the ground station 100 and for generating commands for the support and command apparatuses 4, 7.
Una antenna 107 è associata all’unità 106 computerizzata tramite relativi mezzi 108 di trasmissione di tipo sostanzialmente noto. An antenna 107 is associated with the computerized unit 106 through relative transmission means 108 of a substantially known type.
Mezzi 109 di interfaccia sono operativamente attivi fra l'unità 105 computerizzata e l’apparato 4 di sostentamento per tradurre il comando generato dall’unità 105 stessa, destinato in particolare alla regolazione della velocità angolare del rotore 5, per l’apparato 4 di sostentamento. Interface means 109 are operationally active between the computerized unit 105 and the support apparatus 4 to translate the command generated by the unit 105 itself, intended in particular for the regulation of the angular speed of the rotor 5, for the support apparatus 4 .
I mezzi 109 di interfaccia traducono altresì i comandi generati dall’unità 105 per l’apparato 7 di comando. The interface means 109 also translate the commands generated by the unit 105 for the control apparatus 7.
È importante osservare che nella preferita forma realizzativa illustrata la stazione 101 comprende dei mezzi 110 di determinazione della posizione e della velocità nello spazio del veicolo 1 aereo. It is important to note that in the preferred embodiment illustrated the station 101 comprises means 110 for determining the position and speed in space of the aerial vehicle 1.
Tali mezzi 110, di tipo sostanzialmente noto non ulteriormente descritti, sono in comunicazione con l’unità 105 computerizzata alla quale tra smettono tali informazioni. These means 110, of a substantially known type not further described, are in communication with the computerized unit 105 to which they transmit this information.
Vantaggiosamente, ia stazione 101 comprende dei mezzi 111 di riscontro dell’ambiente esterno. Advantageously, the station 101 comprises means 111 for checking the external environment.
Preferibilmente, i mezzi 111 comprendono dei mezzi 112 ottici, come ad esempio delle telecamere o dei visori, e dei mezzi 113 di percezione dell'ambiente esterno, come, ad esempio, un sonar. Preferably, the means 111 comprise optical means 112, such as for example video cameras or viewers, and means 113 for perception of the external environment, such as, for example, a sonar.
In uso, con riferimento alle figure 12 e 13, l’operatore OP imposta una missione, ad esempio una traiettoria desiderata di riferimento, identificata da un corrispondente vettore X<*>, Y<*>, Z<*>, ψ<*>che definisce un obiettivo, nei sistema di riferimento assoluto, per il veicolo 1. In use, with reference to figures 12 and 13, the operator OP sets a mission, for example a desired reference trajectory, identified by a corresponding vector X <*>, Y <*>, Z <*>, ψ <* > which defines an objective, in the absolute reference system, for vehicle 1.
Tale missione è preferibilmente impostata nella stazione 100 di terra. L’obiettivo costituisce un input per l’algoritmo di controllo che risiede, in particolare, nell’unità 105 computerizzata di controllo e comando. L’obiettivo è espresso in funzione del tempo ovvero costituisce un profilo temporale della traiettoria fornita alla stazione 101 di bordo. L’algoritmo di controllo e quindi l’unità 105 computerizzata riceve in ingresso dalla sensoristica 110 di bordo anche un’informazione relativa al posizionamento e al moto del velivolo 1. This mission is preferably set up in the ground station 100. The target constitutes an input for the control algorithm that resides, in particular, in the computerized control and command unit 105. The objective is expressed as a function of time or constitutes a temporal profile of the trajectory supplied to the 101 on board station. The control algorithm and therefore the computerized unit 105 also receives information relating to the positioning and motion of the aircraft 1.
Tale informazione è espressione degli angoli di “roll”, “pitch” e “yaw”, (r, p, b) e delle velocità attorno ai rispettivi assi nonché della posizione del velivolo 1 rispetto al sistema di riferimento assoluto (X, Y, Z) e della velocità nello stesso · This information is an expression of the "roll", "pitch" and "yaw" angles, (r, p, b) and the speeds around the respective axes as well as the position of the aircraft 1 with respect to the absolute reference system (X, Y, Z) and the speed in the same
L’algoritmo di controllo fornisce quindi in uscita, in funzione degli ingressi, i citati comandi A, B, C per l’apparato 7 di comando e la velocità angolare ωΓper il rotore 5. The control algorithm therefore provides at the output, depending on the inputs, the aforementioned commands A, B, C for the control apparatus 7 and the angular speed ωΓ for the rotor 5.
Tali comandi sono quindi condizionati dai mezzi 109 di interfaccia che li traducono per l’apparato 4 di sostentamento e all’apparato 7 di comando. These commands are therefore conditioned by the interface means 109 which translate them to the support apparatus 4 and to the command apparatus 7.
Vantaggiosamente, i comandi inviati agli apparati di sostentamento e comando sono in funzione, inoltre, di eventuali informazioni ricevute dai mezzi 111 di riscontro dell’ambiente esterno che segnalano, ad esempio, la presenza di un ostacolo o di un qualsiasi impedimento ambientale che non può essere riscontrato dalla stazione di base 100. Advantageously, the commands sent to the support and control apparatuses also depend on any information received from the external environment feedback means 111 which signal, for example, the presence of an obstacle or any environmental impediment that cannot be detected by base station 100.
È importante osservare che il controllo dell’assetto del velivolo 1 è puntualmente attuato a bordo del velivolo 1 stesso dal sistema 9 di controllo. It is important to note that the attitude control of the aircraft 1 is promptly implemented on board the aircraft 1 itself by the control system 9.
In altre parole, la stazione 100 di terra sottopone l’obiettivo alla stazione 101 di bordo che autonomamente controlla il volo del velivolo 1 monitorando in retroazione l’inseguimento di tale obiettivo. In other words, the ground station 100 submits the target to the on-board station 101 which autonomously controls the flight of the aircraft 1 by monitoring the tracking of this target in feedback.
In pratica, il velivolo 1 tenderà asintoticamente al raggiungimento della traiettoria X<*>, Y<*>, Z<*>, ψ<*>in funzione dei comandi A, B, C e ωrCome illustrato nella figura 13, il sistema 9 di controllo confronta le variabili X<*>, Y<*>, Z<*>, ψ<*>impostate con le variabili misurate r, p, b, In practice, aircraft 1 will asymptotically tend to reach trajectory X <*>, Y <*>, Z <*>, ψ <*> as a function of commands A, B, C and ωr As shown in Figure 13, system 9 control compares the variables X <*>, Y <*>, Z <*>, ψ <*> set with the measured variables r, p, b,
e genera un errore e che viene elabo¬ and generates an error which is processed
rato e restituito dall’algoritmo di controllo per inseguire l’obiettivo impostato. ratified and returned by the control algorithm to pursue the set goal.
L’errore “e” è diverso dal valore nullo in tutte quelle circostanze in cui l'inseguimento dell’obiettivo è perturbato, ad esempio a causa del vento. The error "e" is different from the null value in all those circumstances in which the pursuit of the target is disrupted, for example due to the wind.
È importante osservare che il “loop” del sistema 9 di controllo illustrato nella figura 13 corre esclusivamente nella stazione 101 di bordo senza interessare la stazione 100 di terra. It is important to note that the “loop” of the control system 9 illustrated in Figure 13 runs exclusively in the on-board station 101 without affecting the ground station 100.
Vantaggiosamente, il velivolo 1 è preferibilmente simmetrico rispetto al proprio asse verticale y il che consente di seguire qualsiasi traiettoria a prescindere dall’orientazione del velivolo 1 stesso attorno all’asse verticale. Advantageously, the aircraft 1 is preferably symmetrical with respect to its vertical axis y which allows you to follow any trajectory regardless of the orientation of the aircraft 1 itself around the vertical axis.
Con riferimento alla figura 1 , si osserva che il velivolo 1 comprende un castello 60 superiore associato alla fusoliera 2. With reference to Figure 1, it can be seen that the aircraft 1 comprises an upper castle 60 associated with the fuselage 2.
Vantaggiosamente, la stazione 101 di bordo è preferibilmente alloggiata nei castello 60. Advantageously, the onboard station 101 is preferably housed in the castle 60.
Il castello 60 inoltre funge da sostegno per l’apparato 4 di sostentamento. Castle 60 also acts as a support for the sustenance apparatus 4.
Si osservi che la preferita forma realizzativa dell’apparato 7 di comando illustrata nella figura 2a, prevede quattro superfici aerodinamiche 8a, 8b, 8c e 8d fra loro distinte e distintamente attuate. It should be noted that the preferred embodiment of the control apparatus 7 illustrated in Figure 2a, provides four aerodynamic surfaces 8a, 8b, 8c and 8d distinct and distinctly implemented from each other.
In ulteriori forme realizzative non illustrate, l’apparato 7 di comando comprende tre superfici aerodinamiche che sono in grado di orientare il flusso di spinta in tutte le direzioni dello spazio. In further embodiments not shown, the control apparatus 7 comprises three aerodynamic surfaces that are able to direct the thrust flow in all directions of space.
Tali superfici aerodinamiche sono preferibilmente disposte all’interno della fusoliera 2 spaziate fra loro di 120°. These aerodynamic surfaces are preferably arranged inside the fuselage 2 spaced 120 ° apart.
Vantaggiosamente, come illustrato ad esempio nelle figure da 2d a 7, in una ulteriore forma realizzative, le alette 8 sono riunite in gruppi 10 dove con gruppo si intende un insieme di alette 8 fra loro vincolate a muoversi in modo simultaneo o in fase. Advantageously, as illustrated for example in Figures 2d to 7, in a further embodiment, the fins 8 are grouped into groups 10 where a group means a set of fins 8 constrained to each other to move simultaneously or in phase.
Essenzialmente i gruppi 10 consentono di aumentare la capacità di controllo rispetto ad una unica superficie aerodinamica. Essentially the groups 10 allow to increase the control capacity with respect to a single aerodynamic surface.
La capacità di controllo è inoltre ottimizzata in quanto i gruppi 10 consentono implicano l’impiego di un numero inferiore di attuatori rispetto ad un equivalente numero di alette attuate singolarmente. The control capacity is also optimized since the groups 10 allow imply the use of a lower number of actuators than an equivalent number of individually actuated fins.
È importante osservare che, preferibilmente, l’apparato 7 di comando comprende 4 x n superfici 8 aerodinamiche dove<K>n” indica il numero di superfici 8 per ciascun gruppo 10. It is important to note that, preferably, the control apparatus 7 comprises 4 x n aerodynamic surfaces 8 where <K> n "indicates the number of surfaces 8 for each group 10.
I gruppi 10, preferibilmente da due o più alette 8 sono disposti equivalentemente in modo radiale oppure laterale e longitudinale. The groups 10, preferably of two or more fins 8 are arranged equivalently in a radial or lateral and longitudinal way.
In altre parole, in una preferita forma realizzativa, ad esempio quella illustrata nella figura 2d, le alette sono posizionate radialmente ovvero secondo i raggi della fusoliera 2. In other words, in a preferred embodiment, for example the one illustrated in figure 2d, the fins are positioned radially or according to the radii of the fuselage 2.
In una ulteriore forma realizzativa non illustrata, le alette 8 sono disposte parallelamente agli assi longitudinale e laterale del velivolo 1. In questo ultimo caso il rotore 5 ovvero il flusso generato dallo stesso non interessa le alette nella loro interezza nello stesso istante e pertanto il velivolo 1 risulta meno rumoroso rispetto alla soluzione con alette disposte radialmente. In a further embodiment not shown, the fins 8 are arranged parallel to the longitudinal and lateral axes of the aircraft 1. In this latter case, the rotor 5 or the flow generated by it does not affect the fins in their entirety at the same instant and therefore the aircraft 1 is less noisy than the solution with radially arranged fins.
La configurazione non radiale offre vantaggi in termini di rumore generato a causa dell'impatto con il vento relativo dovuto all'elica 5, mentre quella radiale sfrutta la simmetria del sistema per minimizzare le superfici delie superfici 8 aerodinamiche. The non-radial configuration offers advantages in terms of noise generated due to the impact with the relative wind due to the propeller 5, while the radial one exploits the symmetry of the system to minimize the surfaces of the aerodynamic surfaces 8.
A titolo di esempio e senza per questo perdere di generalità, in forme realizzative fra loro alternative l’apparato 7 dì comando comprende quattro gruppi comprendenti ciascuno una superficie 8 aerodinamica, come illustrato nella figura 2a, quattro gruppi comprendenti ciascuno due superfici aerodinamiche disposte radialmente, come illustrato nelle figure da 2d a 7, quattro gruppi comprendenti ciascuno due superfici aerodinamiche in configurazione laterale / longitudinale. By way of example and without losing generality, in mutually alternative embodiments the control apparatus 7 comprises four units each comprising an aerodynamic surface 8, as illustrated in Figure 2a, four units each comprising two aerodynamic surfaces arranged radially, as illustrated in figures 2d to 7, four groups each comprising two aerodynamic surfaces in lateral / longitudinal configuration.
L’apparato 7 di comando comprende una pluralità di attuatori 11 per la movimentazione delle superfici 8 aerodinamiche. The control apparatus 7 comprises a plurality of actuators 11 for moving the aerodynamic surfaces 8.
Nel caso di apparato 7 di comando comprendente quattro gruppi 10 di superfici 8 una preferita forma realizzativa non illustrata comprende tre attuatori 11. In the case of control apparatus 7 comprising four groups 10 of surfaces 8, a preferred embodiment not illustrated comprises three actuators 11.
La miscelazione dell'azione di controllo, ovvero la definizione degli input, avviene elettronicamente e attraverso una serie di organi meccanici di collegamento opportuni trasferita alle superfici 8 aerodinamiche. Ciascun attuatore 11 è governato da un rispettivo ingresso di controllo. Nella preferita forma realizzativa illustrata nelle figure da 2d a 7, l’apparato 4 di comando comprende quattro attuatori 11 , uno per gruppo 10. The mixing of the control action, or the definition of the inputs, takes place electronically and through a series of suitable mechanical connection members transferred to the aerodynamic surfaces 8. Each actuator 11 is governed by a respective control input. In the preferred embodiment illustrated in figures 2d to 7, the control apparatus 4 comprises four actuators 11, one for each group 10.
L’apparato 7 di comando comprende quattro gruppi 10 di superfici 8 aerodinamiche ciascuno a simmetria radiale. The control apparatus 7 includes four groups 10 of aerodynamic surfaces 8 each with radial symmetry.
Ciascun gruppo 10 comprende due superfici 8 aerodinamiche ciascuna associata al rispettivo attuatore 11 mediante un opportuno organo 12 di comando. Each group 10 comprises two aerodynamic surfaces 8 each associated with the respective actuator 11 by means of a suitable control member 12.
La miscelazione è elettronica ovvero ogni attuatore 11 riceve in ingresso un’istruzione in funzione, in particolare, di due comandi di controllo, un primo relativo alla coppia lungo l'asse z, precedentemente denominato C ed un secondo, relativo o alla coppia lungo l'asse laterale, precedentemente denominato A, o relativo alla coppia lungo l’asse longitudinale, precedentemente denominato B. The mixing is electronic, i.e. each actuator 11 receives at its input an instruction as a function, in particular, of two control commands, a first relating to the torque along the z axis, previously called C and a second, relating to or to the torque along the lateral axis, previously called A, or relative to the torque along the longitudinal axis, previously called B.
Quest’ultima soluzione privilegia, vantaggiosamente, la semplicità meccanica dell’apparato 7 di comando. This last solution advantageously favors the mechanical simplicity of the control apparatus 7.
In figura 5 è illustrata una configurazione in cui le superfici 8 aerodinamiche sono azionate simultaneamente per generare l’anticoppia necessaria all’equilibrio attorno all’asse verticale ovvero per regolare l'angolo di "heading” (comando C). Figure 5 shows a configuration in which the aerodynamic surfaces 8 are operated simultaneously to generate the anti-torque necessary for equilibrium around the vertical axis or to adjust the "heading" angle (command C).
In figura 6 è illustrata una configurazione in cui le superfici 8 aerodinamiche sono azionate per generare una forza avente almeno una componente FL sul piano xy. Figure 6 illustrates a configuration in which the aerodynamic surfaces 8 are operated to generate a force having at least one component FL on the xy plane.
La forza FL sul piano xy da luogo ad una corrispondente coppia attorno al centro di massa (comando A o B). The force FL on the xy plane gives rise to a corresponding torque around the center of mass (command A or B).
Con riferimento alle figure 8 e 9, si osservano due differenti posizionamenti dell’apparato 7 di comando rispetto al centro di massa G With reference to Figures 8 and 9, two different positions of the control apparatus 7 are observed with respect to the center of mass G
In figura 8 l’apparato 7 di comando è disposto al di sopra del centro di massa G mentre nella figura 9 l’apparato 7 di comando è disposto inferiormente rispetto al centro di massa G. In figure 8 the control apparatus 7 is arranged above the center of mass G while in figure 9 the control apparatus 7 is arranged below the center of mass G.
In entrambi i casi è definita una predeterminata distanza d, assunta per semplicità descrittiva uguale nelle due distinte configurazioni, al fine di ottenere la capacità di controllo desiderata. In both cases a predetermined distance d is defined, assumed for descriptive simplicity the same in the two distinct configurations, in order to obtain the desired control capacity.
È opportuno osservare che la distanza d dell’apparato 7 dal centro di massa G rappresenta il braccio della coppia di controllo che risulta applicata al velivolo 1 in funzione delle componenti del flusso di spinta proiettate sul piano xy ovvero della forza FL. It should be noted that the distance d of the apparatus 7 from the center of mass G represents the arm of the control torque that is applied to the aircraft 1 as a function of the components of the thrust flow projected on the xy plane or of the force FL.
La coppia totale applicata sul centro di massa G è data dal prodotto della forza FL per il braccio che collega il punto di applicazione al centro di massa G The total torque applied to the center of mass G is given by the product of the force FL for the arm connecting the point of application to the center of mass G
Me = FL x d Me = FL x d
È opportuno osservare che il flusso di spinta che interessa l’apparato 7 di comando porta alla generazione della coppia sul centro di massa G tramite delle forze opportunamente generate sull’apparato di comando. Mentre la coppia sul centro di massa G rappresenta un effetto desiderato necessario ad orientare il vettore forza costituito dalla spinta dell'elica, le forze generate sull'apparato di comando hanno tuttavia effetto diretto sui moto laterale/longitudinale del velivolo 1. It should be noted that the thrust flow that affects the control apparatus 7 leads to the generation of torque on the center of mass G by means of forces appropriately generated on the control apparatus. While the torque on the center of mass G represents a desired effect necessary to orient the force vector constituted by the thrust of the propeller, the forces generated on the control apparatus nevertheless have a direct effect on the lateral / longitudinal motion of the aircraft 1.
Maggiore è la distanza dell’apparato 7 di comando dal centro di massa G e minore è la forza generata sull’apparato 7 di comando per ottenere la stessa coppia risultante: in tal modo è possibile minimizzare l'effetto diretto delle forze generate dalle alette sul moto del velivolo. The greater the distance of the control apparatus 7 from the center of mass G, the lower is the force generated on the control apparatus 7 to obtain the same resulting torque: in this way it is possible to minimize the direct effect of the forces generated by the fins on the motorcycle of the aircraft.
Con riferimento alla figura 10, nella particolare forma realizzativa illustrata, le superfici 8 aerodinamiche comprendono una prima serie di alette 13 ed una seconda serie di alette 14. With reference to Figure 10, in the particular embodiment illustrated, the aerodynamic surfaces 8 comprise a first series of fins 13 and a second series of fins 14.
Le alette 13 sono disposte su un primo livello L1 e le alette 14 sono disposte su un secondo livello L2. The fins 13 are arranged on a first level L1 and the fins 14 are arranged on a second level L2.
Le alette 13 del primo livello L1 definiscono un apparato 7a di comando per il controllo della coppia lungo z. The fins 13 of the first level L1 define a control apparatus 7a for controlling the torque along z.
Le alette 14 del secondo livello L2 definiscono un apparato 7b per la scomposizione vettoriale del flusso di spinta opportunamente modificato dall’apparato 7a. The fins 14 of the second level L2 define an apparatus 7b for the vector decomposition of the thrust flow suitably modified by the apparatus 7a.
In una preferita forma realizzativa le alette 13 del primo livello L1 definiscono un sistema anticoppia statico (statore passivo) ovvero dedicato esclusivamente alla generazione deli’anti-coppia necessaria a garantire l'equilibrio del velivolo 1 attorno all’asse verticale. In a preferred embodiment, the fins 13 of the first level L1 define a static anti-torque system (passive stator) or dedicated exclusively to the generation of the anti-torque necessary to ensure the balance of the aircraft 1 around the vertical axis.
In questa configurazione, le alette 14 del secondo livello L2 sono dedicate sia al controllo dell’angolo di “heading” sia alla deviazione direzionale del flusso di spinta. In this configuration, the flaps 14 of the second level L2 are dedicated both to the control of the "heading" angle and to the directional deviation of the thrust flow.
In una seconda forma realizzativa, le alette 13 del primo livello L1 definiscono un sistema di anticoppia attuato (statore attivo) ovvero in grado di controllare sia l’equilibrio attorno all’asse z sia l’angolo di “heading”. In a second embodiment, the fins 13 of the first level L1 define an anti-torque system implemented (active stator) that is able to control both the balance around the z axis and the "heading" angle.
In questa configurazione le alette 14 del secondo livello L2 sono dedicate unicamente alla funzione di deviazione direzionale del flusso di spinta. In this configuration the fins 14 of the second level L2 are dedicated solely to the function of directional deviation of the thrust flow.
In generale, considerando, ad esempio, come sistema “corpo libero” il veicolo 1 aereo in volo stazionario più l’aria che attraversa la fusoliera 2 con l’asse D orientata secondo l’asse Z verticale nel sistema assoluto di riferimento, si può affermare che, per la conservazione della quantità di moto applicata alla rotazione intorno a z : In general, considering, for example, as the "free body" system the aerial vehicle 1 in hovering flight plus the air that crosses the fuselage 2 with the D axis oriented according to the vertical Z axis in the absolute reference system, affirm that, for the conservation of the momentum applied to the rotation around z:
dove: where is it:
JD= momento d’inerzia dei velivolo 1 ; JD = moment of inertia of the aircraft 1;
JA= momento d’inerzia della massa d’aria che transita attraverso la fusoliera 2; JA = moment of inertia of the mass of air passing through the fuselage 2;
ωψD = velocità angolare del velivolo 1 intorno a Z; ωψD = angular velocity of the aircraft 1 around Z;
ωψΑ= velocità angolare dell’aria intorno a Z. ωψΑ = angular velocity of the air around Z.
Affinché sia ωψD = 0 deve essere ωψΑ= 0 e quindi l’aria deve abbandonare il velivolo 1 con velocità di rotazione nulla in Za meno delie forze di attrito viscoso. For it to be ωψD = 0 it must be ωψΑ = 0 and therefore the air must leave the aircraft 1 with zero rotation speed in Za less than the viscous friction forces.
L’azione di comando quindi è esplicata dalle superila 13 aerodinamiche che annullano la componente rotazionale ωψΑdell’intero flusso proveniente dall’elica 5 in modo da annullare ωψD. The command action is therefore carried out by the aerodynamic overlaps 13 which cancel the rotational component ωψΑ of the entire flow coming from the propeller 5 in order to cancel ωψD.
Le superfici 13 sono rese mobili per permettere al sistema 9 di controllo di compensare le eventuali le azioni di disturbo e di regolare a piacere l’angolo ψ sfruttando sempre la conservazione del momento angolare. È importante osservare che coppie di disturbo eventualmente presenti come ad esempio l’accelerazione angolare dell’elica 5 durante i transitori sono preferibilmente compensate agendo sull’angolo di attacco delle alette 13 del primo livello L1 rispetto al flusso di spinta. The surfaces 13 are made mobile to allow the control system 9 to compensate for any disturbing actions and to adjust the angle ψ as desired, always taking advantage of the conservation of the angular momentum. It is important to note that any disturbance pairs that may be present such as the angular acceleration of the helix 5 during transients are preferably compensated by acting on the angle of attack of the fins 13 of the first level L1 with respect to the thrust flow.
Riguardo al posizionamento reciproco dell’apparato 4 di sostentamento e dell’apparato 7 di comando nonché alle configurazione degli stessi, si osservi, in linea generale, che la preferita forma realizzativa riduce al minimo il peso e l’ingombro del velivolo 1, assicurando al contempo bassa resistenza aerodinamica e buone caratteristiche di comando. In particolare gli apparati di comando su z e su x ed y sono preferibilmente condensati nell’unico apparato 7 di comando essendo possibile miscelare i comandi in modo da ottenere contemporaneamente mo menti sui tre assi. With regard to the mutual positioning of the support apparatus 4 and the control apparatus 7 as well as the configuration of the same, it should be noted, in general, that the preferred embodiment reduces the weight and dimensions of the aircraft 1 to a minimum, ensuring the at the same time low drag and good handling characteristics. In particular, the control apparatuses on z and on x and y are preferably condensed in the single control apparatus 7 being possible to mix the commands in order to obtain simultaneously moments on the three axes.
In tal caso le superfici 8 aerodinamiche hanno dimensioni maggiori rispetto al caso di funzionalità separate per assicurare buone prestazioni di comando anche per angoli piccoli ed evitare quindi stalli di profilo indesiderati. In this case, the aerodynamic surfaces 8 have larger dimensions than in the case of separate functions to ensure good control performance even for small angles and thus avoid undesired profile stalls.
Si osservi che la preferita configurazione del velivolo 1 illustrata nella figura 1 , grazie in particolare al sistema 9 di controllo, garantisce elevate possibilità di manovra fra cui il passaggio da volo verticale a volo traslato. It should be noted that the preferred configuration of the aircraft 1 illustrated in Figure 1, thanks in particular to the control system 9, guarantees high maneuvering possibilities, including the transition from vertical flight to translated flight.
Al fine di ottimizzare l’efficienza nel volo traslato, il velivolo 1 comprende, disposta superiormente rispetto aH’apparato 4 di sostentamento secondo sostanzialmente la direzione D, una superficie 15 aerodinamica, comunemente denominata canard, che da portanza come un’ala. Preferibilmente, il canard 15 è girevole attorno ad un rispettivo asse 16. In tal modo risulta ottimizzabile, mediante opportuna attuazione attorno all’asse 16 del canard 15, il passaggio del velivolo 1 dal volo stazionario al volo traslato. In order to optimize efficiency in translated flight, the aircraft 1 comprises, arranged above the support apparatus 4 substantially in the direction D, an aerodynamic surface 15, commonly called canard, which gives lift like a wing. Preferably, the canard 15 is rotatable around a respective axis 16. In this way, the passage of the aircraft 1 from stationary flight to translated flight can be optimized, by means of appropriate implementation around the axis 16 of the canard 15.
La stessa fusoliera 2 tubolare funge da ala nel volo traslato, generando una forza dì sostentamento. The tubular fuselage 2 itself acts as a wing in translated flight, generating a sustaining force.
In pratica il canard e la fusoliera 2 cooperano nel sostenimento del velivolo 1 nel volo traslato e nel mantenimento dell'equilibrio dello stesso. In practice, the canard and the fuselage 2 cooperate in supporting the aircraft 1 in translated flight and in maintaining its balance.
Preferibilmente, il castello 60 superiore è altresì conformato per contribuire all’ottimizzazione del volo traslato. Preferably, the upper castle 60 is also shaped to contribute to the optimization of the translated flight.
II sistema 9 di controllo consente altresì di contenere il diametro del velivolo 1 ed in particolare della fusoliera 2 rendendola, in pratica, insensibile a perturbazioni esterne. The control system 9 also allows to contain the diameter of the aircraft 1 and in particular of the fuselage 2 making it, in practice, insensitive to external perturbations.
Vantaggiosamente, in ulteriori forme realizzative non illustrate, il velivolo I comprende altresì una pluralità di superfici aerodinamiche disposte in maniera non simmetrica esternamente alla fusoliera 2 per ottimizzare il volo traslato. Advantageously, in further embodiments not illustrated, the aircraft I also comprises a plurality of aerodynamic surfaces arranged in a non-symmetrical manner externally to the fuselage 2 to optimize the translated flight.
L’invenzione come descritta consegue importanti vantaggi. The invention as described achieves important advantages.
Il veicolo aereo è caratterizzato da una grande semplicità meccanica e, conseguentemente, risulta molto affidabile ed economico. The aerial vehicle is characterized by a great mechanical simplicity and, consequently, it is very reliable and economical.
La semplicità meccanica risulta inoltre permette la realizzazione del velivolo con dimensioni molto ridotte con l’unico vincolo alla miniaturizzazione del velivolo stesso dato dal carico (payload) per cui il velivolo viene dimensionato. The mechanical simplicity is also allows the construction of the aircraft with very small dimensions with the only constraint to the miniaturization of the aircraft itself given by the payload for which the aircraft is sized.
Il velivolo come descritto è altresì altamente efficiente sta nel volo stazionario che nel volo traslato. The aircraft as described is also highly efficient both in hovering and translated flight.
La fusoliera tubolare ed il sistema di controllo consentono al velivolo di accostarsi ad ostacoli fissi, come ad esempio muri o alberi, per missioni di indagine o simili, potendo mantenere una posizione stabile e controllata. The tubular fuselage and the control system allow the aircraft to approach fixed obstacles, such as walls or trees, for survey missions or the like, being able to maintain a stable and controlled position.
L’invenzione così concepita è suscettibile di evidente applicazione industriale; inoltre può essere oggetto di numerose modifiche e varianti tutte rientranti nell’ambito del concetto inventivo. Inoltre, tutti i dettagli possono essere sostituiti da elementi tecnicamente equivalenti. The invention thus conceived is susceptible of evident industrial application; it can also be subject to numerous modifications and variations, all of which fall within the scope of the inventive concept. Furthermore, all the details can be replaced by technically equivalent elements.
Claims (25)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ITBO20070223 ITBO20070223A1 (en) | 2007-03-28 | 2007-03-28 | AIR VEHICLE. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ITBO20070223 ITBO20070223A1 (en) | 2007-03-28 | 2007-03-28 | AIR VEHICLE. |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ITBO20070223A1 true ITBO20070223A1 (en) | 2008-09-29 |
Family
ID=40312658
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ITBO20070223 ITBO20070223A1 (en) | 2007-03-28 | 2007-03-28 | AIR VEHICLE. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| IT (1) | ITBO20070223A1 (en) |
-
2007
- 2007-03-28 IT ITBO20070223 patent/ITBO20070223A1/en unknown
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