Come vengono testati i sistemi di volo automatizzati in un dimostratore tecnologico?

Il software di volo automatizzato e i moduli software sperimentali che operano sul computer di volo centrale (FCC) sono strettamente legati alle librerie legacy sviluppate internamente, alle librerie esterne e al codice auto-generato da modelli MATLAB/Simulink. Il testing funzionale di queste componenti software avviene sia nei progetti di libreria che attraverso test software-in-the-loop. L'unità di test di questi moduli si concentra su test delle interfacce, analisi di plausibilità e un ampio utilizzo durante le fasi di sviluppo, rilascio e accettazione. La gestione del codice è progettata per minimizzare la dipendenza da code base esterne, riducendo così il numero di righe di codice e rendendo il sistema più facile da testare sia tramite test "black-box" che "white-box".

In un sistema così critico, come quello del CIC (Control Interface Computer), un malfunzionamento o un crash dell'applicazione di volo fly-by-wire potrebbe compromettere completamente il controllo del dimostratore, rendendo essenziale che il software sia il più indipendente e ridotto possibile. Le prove del CIC sono quindi particolarmente rigorose: i test comprendono prove delle interfacce, test funzionali e test di stabilità del software, condotti all'interno di un sistema operativo in tempo reale, inclusi test di lunga durata. Infatti, il numero di righe di codice per i test unitari è cinque volte superiore rispetto al codice operativo stesso.

Tutti i componenti avionici sviluppati internamente sono testati su banchi di prova prima di essere integrati nel dimostratore. Questi test vengono eseguiti sia manualmente che tramite procedure automatizzate. Durante l'integrazione del computer di volo con altri componenti avionici, come attuatori o sensori, i banchi di prova fungono da ambienti di laboratorio utili per test di integrazione. Un esempio di test sugli attuatori è trattato da Bierig et al. (2018).

Nonostante l'obiettivo di dimostrare un gyrocopter completamente automatizzato per il trasporto di merci, durante i voli di test è necessario un pilota a bordo. La sua funzione è quella di manovrare il dimostratore e intervenire nelle situazioni critiche per stabilizzare il volo se necessario. Il pilota deve essere adeguatamente addestrato per controllare il veicolo in base alle sue caratteristiche di volo specifiche e alle missioni sperimentali. A tale scopo, è stato sviluppato un simulatore di volo per gyrocopter presso il DLR, adattato alle caratteristiche di volo del MTOfree modificato. La simulazione utilizzata per l'addestramento deve essere sufficientemente realistica da fornire feedback in tempo reale che rispecchi il comportamento del veicolo reale. L'addestramento comprende tutte le fasi del volo, inclusi decollo, gestione delle risorse di equipaggio (CRM) in volo e atterraggio.

Uno degli aspetti più critici durante l'addestramento è la fase di atterraggio, dove si osserva un notevole miglioramento nel comportamento del pilota con l'aumento delle sessioni di addestramento. Sebbene all'inizio la qualità degli atterraggi sia stata valutata con difficoltà, con il tempo il pilota è stato in grado di atterrare in modo preciso e affidabile. Dopo un numero significativo di addestramenti, il repertorio di abilità del pilota si è ampiamente migliorato, consentendo atterraggi più consistenti e sicuri.

Infine, i test hardware-in-the-loop (HIL) sono fondamentali per testare le funzioni di controllo di volo sui computer di bordo. Un sistema HIL simula il comportamento del sistema di volo reale, permettendo di testare i moduli di controllo in un ambiente controllato. Nel caso del dimostratore, i componenti reali come il CIC, il ricevitore FCC e il dispositivo di controllo remoto sono utilizzati insieme a simulatori per attuatori e sensori. Il sistema HIL esegue il codice generato da MATLAB/Simulink, interfacciando il comportamento dinamico del volo e la visualizzazione del sistema di volo tramite un simulatore. La simulazione delle interfacce e dei componenti critici del sistema di volo assicura che il software di volo possa essere testato in condizioni quasi reali, prima dell’effettiva implementazione sul dimostratore.

È cruciale comprendere che, nonostante l’uso avanzato di simulazioni, il volo di un veicolo automatizzato richiede sempre una preparazione adeguata e una formazione rigorosa del pilota. La capacità di intervenire rapidamente in situazioni critiche e la gestione della sicurezza del volo dipendono non solo dalla tecnologia, ma anche dalla competenza del pilota nel comprendere i limiti e le dinamiche del veicolo. La continua evoluzione dei test hardware-in-the-loop e la loro integrazione con l’ambiente di simulazione aiuta a minimizzare il rischio di errori e garantire una maggiore affidabilità dei sistemi di volo automatizzati.

Come possono i droni da carico rivoluzionare la logistica a bassa quota: applicazioni nel trasporto di ricambi agricoli e nelle operazioni di soccorso

Negli ultimi anni, l’evoluzione tecnologica, compresa la miniaturizzazione dei sistemi, l’adozione delle batterie agli ioni di litio e l’avanzamento nella stabilizzazione del volo tramite sistemi computerizzati, ha reso i droni sempre più presenti nel panorama delle operazioni aeree. Tuttavia, la loro applicazione è stata, fino a poco tempo fa, generalmente limitata a missioni di sorveglianza, con un carico utile costituito esclusivamente da telecamere o altri sensori. Il trasporto aereo, soprattutto su lunghe distanze, ha presentato notevoli difficoltà, in parte a causa della bassa densità energetica delle batterie elettriche, in parte per l'assenza di modelli di business chiari e consolidati e, soprattutto, per la mancanza di una storicità di sicurezza su larga scala.

Il progetto ALAADy (Automated Low Altitude Air Delivery) nasce con l'obiettivo di affrontare questi limiti. Contrariamente a quanto accade in altri ambiti del trasporto aereo, che fanno ampio uso di energia elettrica, il progetto si concentra sull’impiego di carburanti tradizionali a base di carbonio e motori convenzionali per la prima implementazione, con l’intento di raggiungere distanze di volo significative. Inoltre, l’alta sicurezza operativa è garantita attraverso soluzioni tecnologiche avanzate, come barriere contro minacce e danni, e un’accurata pianificazione delle rotte, preferibilmente su territori scarsamente popolati. In parallelo, sono stati sviluppati modelli operativi destinati a valutare e identificare i casi di business più promettenti per il trasporto aereo, con particolare attenzione all’economia operativa e ai costi.

Uno degli ambiti più interessanti in cui si inserisce questo sviluppo riguarda il trasporto di ricambi agricoli. In molte aree dell'Europa, dove il settore agricolo dipende da forniture tempestive di pezzi di ricambio per i macchinari, i droni a bassa quota potrebbero ridurre significativamente i tempi di consegna e ottimizzare l’efficienza del servizio. L’uso di droni per questo tipo di consegne comporterebbe la creazione di una rete aerea commerciale, operante sotto la nuova categoria di certificazione “Specific” dell’EASA, che semplifica i requisiti di sicurezza pur mantenendo standard di affidabilità elevati. La capacità di questi droni di operare in modo economico, sebbene su distanze relativamente brevi (fino a 600 km), offre un enorme potenziale per soddisfare le necessità dei clienti in un tempo ridotto, rendendo l’intero processo più conveniente.

Il modello di costi per le operazioni di consegna di ricambi agricoli è stato sviluppato tenendo conto delle variabili principali, come il costo del carburante, la manutenzione, i costi di gestione e operativi, e la necessità di garantire l’affidabilità attraverso un’adeguata valutazione dei rischi. Un aspetto centrale di questo approccio è la gestione della sicurezza attraverso la metodologia SORA (Specific Operational Risk Assessment), che consente di ridurre i costi operativi necessari per mantenere alti standard di sicurezza. L'impiego di sistemi più economici rispetto ai tradizionali velivoli aerei, come motori non specificamente progettati per il trasporto aereo, contribuisce a rendere l’operazione più accessibile economicamente, pur mantenendo adeguati livelli di protezione.

Un altro settore cruciale che potrebbe beneficiare di questa innovazione è quello del soccorso umanitario in caso di disastri naturali. In scenari come inondazioni o terremoti, dove l'accesso aeree per mezzi tradizionali come elicotteri è limitato, i droni possono svolgere un ruolo fondamentale nella distribuzione di aiuti in modo rapido ed efficiente. L’ALAADy è progettato per effettuare missioni di soccorso in cui l’intervento tempestivo è cruciale, trasportando carichi che vanno dai farmaci ai beni di prima necessità. I costi operativi associati a tali missioni sono simili a quelli per il trasporto di ricambi agricoli, ma con l’aggiunta di considerazioni legate all’urgenza delle consegne e alla sicurezza in ambienti instabili.

Il progetto ALAADy prevede l’impiego di droni in scenari in cui l'analisi dei costi operativi diventa fondamentale. L'introduzione della categoria di certificazione “Specific” e l’applicazione del modello SORA permette di abbattere una parte significativa dei costi iniziali, consentendo l'introduzione di droni sul mercato a condizioni più favorevoli rispetto ai veicoli aerei tradizionali. La capacità di trasportare carichi di un tonnellata su distanze fino a 600 km con una velocità di crociera di 200 km/h rende l'ALAADy particolarmente adatto a missioni su larga scala, come quelle previste nel trasporto di ricambi agricoli o nelle operazioni di soccorso.

In termini di modelli economici, la sfida principale sta nel determinare il giusto equilibrio tra costi operativi e ricavi attesi. Sebbene il trasporto di carichi su distanze brevi possa sembrare inizialmente meno competitivo rispetto ad altre forme di trasporto, il potenziale di miglioramento dell’efficienza grazie alla rapidità e alla flessibilità dei droni potrebbe determinare significativi vantaggi economici a lungo termine. A tal fine, è necessario considerare anche l'impatto ambientale del trasporto aereo automatizzato, soprattutto se, come nel caso dell'ALAADy, i droni utilizzano carburanti a base di carbonio, ma con una minore impronta ecologica rispetto agli aerei tradizionali.

Oltre agli aspetti puramente economici, è fondamentale comprendere che l’introduzione dei droni da carico implica anche un ripensamento delle infrastrutture logistiche esistenti. La creazione di hub di distribuzione specifici per questi velivoli, la gestione dei flussi di traffico aereo a bassa quota e la sincronizzazione delle operazioni con i servizi di terra sono tutti aspetti che devono essere integrati nel modello di business per garantire la riuscita delle operazioni.