Plataforma de simulação software-in-the-loop para sistemas de controle de uma aeronave não-tripulada flexível - Ribeiro, André Florentino [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2024)
A simulação desempenha um papel fundamental no desenvolvimento de novas aeronaves, visto que permite que testes sejam realizados em ambiente controlado e com custo reduzido quando comparado a ensaios em campo. Atualmente, é comum a criação de simuladores utilizando abordagens Software-In-The-Loop (SIL) para unificar diversos ambientes em apenas um único teste. Este trabalho apresenta uma proposta para criação de uma plataforma SIL que tem como objetivo servir de ambiente de testes para simulação de voo. A plataforma é desenvolvida por meio da criação de uma rede de comunicação entre o Simulink e o X-Plane, sendo que o Simulink é a ferramenta de solução dinâmica do modelo e o X-Plane é utilizado para observação dos estados da aeronave. A aeronave utilizada será o EOLO, um Veículo Autônomo Não Tripulado desenvolvido pelo ITA que possui alto alongamento nas asas. A flexibilidade das asas permite avaliar a influência das deformações estruturais na dinâmica de voo, e como os carregamentos aerodinâmicos são afetados pela aeroelasticidade da aeronave. O presente trabalho realiza a modelagem da dinâmica não linear 3D do EOLO utilizando modelos de aeronaves rígidas e flexíveis. A dinâmica flexível considera a influência dos modos de vibração das asas na dinâmica de voo , o que permite uma melhor análise da condição de estabilidade de aeronaves flexíveis. As derivadas relacionadas ao comportamento aeroelástico são parametrizadas em relação a forma dos modos de vibração. É tomada a hipótese que a elasticidade influencia apenas na dinâmica longitudinal, pois o principal modo estudado considera que as asas se deformam de maneira simétrica, por flexão ou torção. Por meio da comparação entre o modelo rígido e o modelo flexível, os resultados mostram que os modos de vibração das asas influenciam na estabilidade longitudinal da aeronave. Essa comparação realizada por todo o envelope de voo do EOLO como forma de avaliar a estabilidade de maneira completa. Uma vez que o modelo dinâmico é validado, é criada uma arquitetura Software-in-the-Loop (SIL) entre o Matlab/Simulink e o X-Plane para simulação da dinâmica de voo do EOLO. O X-Plane é conectado a um joystick e funciona como uma fonte de entradas para a dinâmica do EOLO, que é calculada no Matlab/Simulink. Os estados da aeronave são observados em tempo real no X-Plane, o que torna a arquitetura ideal para monitoramento e realização de testes em voo. Alguns simulações são realizadas com intuito de explorar a dinâmica do EOLO por meio de realização de manobras, e é apresentado gráficos das coordenadas da aeronave no X-Plane junto de capturas de telas que representam o cockpit observado em tempo real.

Simulation plays a fundamental role in the development of new aircraft, since it allows analysis to be conducted in a controlled environment with reduced costs when compared to field flight tests. Currently, it is common to create simulators using Software-In-The-Loop (SIL) approaches to unify various environments into a single one. This work presents a proposal for creating a Software-In- The-Loop platform aimed at serving as a testing environment for flight simulation. The platform is developed by establishing a communication network between Simulink and X-Plane, where Simulink serves as the dynamic model solution tool and X-Plane is used to observe the aircraft states. The aircraft used will be the EOLO, an Unmanned Autonomous Vehicle (UAV) developed by ITA that has high aspect ratio wings. The flexibility of the wings allows for the evaluation of the influence of structural deformations on flight dynamics and how aerodynamic loadings are affected by the aircraft’s aeroelasticity. The present work models the 3D nonlinear dynamics of EOLO using models of rigid and flexible aircraft. The flexible dynamics consider the influence of wing vibration modes on flight dynamics, enabling a better analysis of the stability condition of flexible aircraft. Derivatives related to aeroelastic behavior are parameterized in function of the shape of vibration modes. The assumption is made that elasticity only affects longitudinal dynamics, as the main studied mode assumes that the wings deform symmetrically, either by bending or twisting. Through a comparison between the rigid and flexible models, the results show that wing vibration modes influence the longitudinal stability of the aircraft. This comparison is carried out across the entire flight envelope of EOLO to assess stability comprehensively. Once the dynamic model is validated, a Software-in-the-Loop (SIL) architecture is created between Matlab/Simulink and X-Plane for simulating the EOLO flight dynamics. X-Plane is connected to a joystick and acts as an input source for EOLO dynamics, calculated in Matlab/Simulink. The aircraft’s states are observed in real-time in X-Plane, making the architecture ideal for monitoring and conducting flight tests. Some simulations are performed to explore EOLO dynamics through maneuvers, and plot of the aircraft’s trajectories in X-Plane are presented along with screenshots representing the cockpit observed in real-time.
Software-in-the-loop simulation platform for control systems of a flexible unmanned aircraft
Keywords: Controle de vôo; Engenharia Aeroespacial; Simulação por computador; Sistemas de comando e controle