UAV Flight Simulator and Ground Control Station using National Instruments Real-Time tools

Author(s):
D. Gaglione - TEORESI
P. Ghirardello - TEORESI

Industry:
Government/Defense, Aerospace/Avionics

Products:
Simulation Interface Toolkit, LabVIEW, Real-Time Module, CompactRIO

The Challenge:
Realizzare una Stazione di Controllo Remota (Ground Control Station) per aerei senza pilota a bordo (Unmanned Aerial Vehicle)

The Solution:
Trasformare un modello di simulazione originariamente realizzato in Simulink utilizzando il SIT per ottenere un sistema aperto, funzionale, rapidamente interfacciabile con hardware I/O e funzionante in Real Time, per il pilotaggio del velivolo in remoto.

Negli ultimi dieci anni la necessità di controllare aree sensibili sempre più vaste unitamente allo sviluppo di tecnologie sempre più miniaturizzate ed efficienti hanno fornito un’accelerazione importante allo sviluppo di sistemi UAV, Unmanned Aerial Vehicle. Un sistema UAV rappresenta la soluzione più efficace per la sorveglianza in remoto di un’area per lunghi periodi, in modo automatico e in assenza di rischi per l’uomo, dal momento che a bordo del velivolo non è presente equipaggio alcuno. Il sistema, in tutte le sue varianti è costituito dal velivolo (UAV) e dalla stazione di controllo remota (GCS); secondo le dimensioni del velivolo sarà necessario un sistema di supporto al suolo proporzionalmente più grande oltre che adeguate piste o sistemi di decollo/atterraggio. La mancanza di un pilota a bordo costituisce di per sé un vantaggio qualora sia necessario operare in zone pericolose (aree di guerra o contaminate) o in aree in cui sia richiesta una lunga permanenza. La mancanza del pilota comporta anche un notevole sgravio di peso, non solo del pilota ma anche di tutti gli equipaggiamenti necessari per il suo comfort e la sua sopravvivenza; inoltre l’aereo può avere dimensioni ridotte fino a pochi centimetri a seconda dell’impiego ed essere particolarmente manovriero al di là dei limiti imposti dalla fisiologia umana. Tutti i dati raccolti dai numerosi sensori installati a bordo, spesso intercambiabili rapidamente per riconfigurare il velivolo al variare degli scenari operativi, sono inviati ad un operatore (o più di uno) in telemetria, processati e visualizzati dalla GCS. Da questa postazione l’operatore, non necessariamente un pilota, può controllare tutte le funzioni di bordo, la guida automatica o manuale, le informazioni raccolte dai sensori e, nel caso di flotte, coordinare le operazioni multiruolo.
Il progetto della stazione GCS è stato sviluppato da Teoresi per il sistema ARIEL (Autonomous Remotly Controlled Inexpensive Experimental Lightweight UAV); tale sistema è costituito da un velivolo di ridotte dimensioni e peso (apertura alare inferiore al metro e peso inferiore a 0,5 kg) propulso ad elica controllato in remoto e con funzioni di decollo, navigazione e atterraggio completamente autonome. La stazione di terra, che concettualmente rappresenta un dimostratore applicabile a sistemi anche di dimensioni e ruoli differenti, è stata realizzata nell’ottica di mantenere ridotti pesi e dimensioni al fine di rendere tutto il sistema trasportabile al massimo da due operatori, con facilità di movimento e dispiegamento in tempi brevi.
La stazione è stata progettata per consentire ad un operatore di effettuare addestramento di base e tattico simulando il comportamento del velivolo in qualsiasi situazione si debba affrontare poi operativamente; senza necessità di hardware specifico, la GCS permette all’operatore di prendere confidenza con l’avionica e la gestione dei sensori di bordo prima di operare sul velivolo reale, in un ambiente 3D fotorealistico con copertura mondiale ed elevazione digitale del terreno, in differenti condizioni meteorologiche. Con semplici operazioni l’operatore può passare immediatamente dalla fase di simulazione tattica a quella di missione operativa andando a controllare il velivolo reale. Esso viene controllato tramite una classica interfaccia hardware costituita da un joystick a 3 assi e una throttle, con la quale l’operatore gestisce i controlli di volo e il motore elettrico del velivolo. Tutti i dati di controllo sono inviati dalla GCS all’autopilota installato a bordo del velivolo che si occupa di controllare, processare ed inviare i relativi comandi alle superfici di controllo dell’aereo. Nella modalità di volo automatica l’autopilota gestisce in modo autonomo il velivolo seguendo il piano di volo caricato al suolo prima del decollo; tramite l’interfaccia avionica multifunzione è possibile effettuare un re-scheduling della missione in tempo reale, variare il profilo e inserire punti di attesa (holdings) in particolari waypoints del piano di volo o in nuovi creati dall’utente.
L’interfaccia avionica è stata realizzata da Teoresi utilizzando Altia, un tool di programmazione grafica per HMI con il quale è stata creata un’interfaccia multifunzione con modalità di visualizzazione del video della telecamera di bordo o, alternativamente, dell’ambiente di rendering 3D fotorealistico per la simulazione.
Il modello di simulazione così come il controllo del velivolo richiedono, per esigenze operative, la necessità di essere eseguiti in real-time. Il modello di simulazione originale è stato realizzato in Simulink con interfacciamento ad Altia e al simulatore (ambiente 3D) tramite appositi blocchi di connection. Tuttavia il funzionamento del sistema in ambiente Matlab non garantisce il real-time ed è stato quindi necessario implementare il modello per il suo utilizzo in ambiente LabVIEW Real Time.
Sia nella simulazione che nel pilotaggio del velivolo reale, in linea generale, è indispensabile eseguire il controllo in tempo reale; nel caso specifico della GCS applicata al controllo del velivolo ARIEL possono essere consentite alcune deroghe in base al tipo particolare di modello e di hardware di controllo installato a bordo. La telemetria di bordo, infatti, viene inviata al suolo alla frequenza di 1 Hz mentre i dati essenziali di assetto vengono inviati alla frequenza di 30 Hz; sebbene questi valori non siano molto elevati, sono sufficienti per il controllo in sicurezza, in questo caso, del velivolo. E’ comunque necessario utilizzare un sistema che garantisca un refresh grafico dei parametri di volo elevato per rendere possibile il pilotaggio manuale del mezzo.
Il tool National Instruments più efficace e semplice da utilizzare per trasformare il modello ARIEL realizzato in Simulink in un modello controllabile da LabVIEW è il SIT, Simulation Interface Toolkit. Questo strumento permette di regolare i parametri e leggere i segnali di un modello Simulink, di effettuare la conversione di tale modello in una DLL (Dynamic Link Library), e di eseguirne successivamente la simulazione su un target Real Time senza più alcun legame con Simulink. Due componenti del SIT si occupano di stabilire le connessioni Matlab-LabVIEW: il SIT Server si occupa di stabilire il link tra il modello in ambiente Simulink o sul target RT e il VI LabVIEW presente sull’Host mentre il SIT Connection Manager permette di impostare i parametri/segnali da modificare/monitorare. Il modello Simulink ARIEL è stato convertito in una DLL tramite il Real-Time Workshop di Matlab con una serie automatica di passaggi. Il modello originale è stato dapprima trasformato in codice C e poi compilato in una DLL tramite Microsoft Visual C++. Questa DLL rappresenta il modello Simulink in tutte le sue proprietà ma non ne è più dipendente per la sua esecuzione e viene gestita dal modulo Real Time di LabVIEW. Durante il processo di creazione il SIT si occupa di generare in automatico un Driver VI che viene utilizzato per lo scambio di dati tra l’interfaccia e il modello compilato. La DLL ottenuta dal modello Simulink e il Driver VI vengono scaricati quindi sul target RT per l’esecuzione della simulazione/controllo del velivolo. Un’apposita interfaccia LabVIEW garantisce il continuo scambio di dati tra il modello Real Time e l’interfaccia avionica realizzata con ALTIA e il simulatore 3D.
Il secondo vantaggio che l’ambiente LabVIEW e in particolare il SIT permettono di ottenere è quello di poter connettere il modello operante in Real Time con una vasta serie di hardware I/O; ARIEL dispone, infatti, di una serie di sensori a bordo che trasmettono i dati alla GCS con diverse frequenze di funzionamento. In particolare il dowlink è costituito da un segnale audio-video e dalla telemetria di bordo, mentre il canale uplink trasmette le informazioni necessarie per il pilotaggio manuale del velivolo e la navigazione automatica.
In conclusione, con l’utillizzo dei tool National Instruments, Teoresi ha ottenuto un sistema più affidabile e veloce con la possibilità di integrazione del sistema con HW per I/O utilizzando CompactRIO. In particolare l’impiego di LabVIEW ha portato in breve tempo ad un sistema aperto, facilmente integrabile con tool esterni e codice C.

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D. Gaglione
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