Introduction to Adaptive Feedforward Control for Gust Loads Alleviation

Active control techniques for the gust loads alleviation/flutter  suppression have been investigated extensively in the last decades to control the aeroelastic response, and improve the handling qualities of the aircraft.   Nonadaptive feedback control algorithms such as classical single input single output techniques (Schmidt & Chen, 1986),  linear quadratic regulator (LQR) theory (Mahesh et al., 1981; Newsom, 1979), eigenspace techniques (Garrard & Liebst, 1985; Leibst et al., 1988), optimal control algorithm (Woods-Vedeler et al., 1995), H∞ robust control synthesis technique (Barker et al., 1999) are efficient methods for the gust loads alleviation/flutter  suppression. However, because of the time varying characteristics of the aircraft dynamics due to the varying configurations and operational parameters, such as fuel consumption, air density, velocity, air turbulence, it is difficult to synthesize a unique control law to work effectively throughout the whole flight envelope. Therefore, a gain scheduling technique is necessary to account for the time varying aircraft dynamics. An alternative methodology is the feedforward and/or feedback adaptive control algorithms by which the control law can be updated at every time step (Andrighettoni & Mantegazza, 1998; Eversman & Roy, 1996; Wildschek et al., 2006).   With the novel development of the airborne LIght Detection and Ranging (LIDAR) turbulence sensor available for an accurate vertical gust velocity measurement at a considerable distance ahead of the aircraft (Schmitt, Pistner, Zeller, Diehl & Navé, 2007), it becomes feasible to design an adaptive feedforward control to alleviate the structural loads induced by any turbulence and extend the life of the structure. The adaptive feedforward control algorithm developed in (Wildschek et al., 2006) showed promising results for vibration suppression of the first wing bending mode. However, an unavoidable constraint for the application of this methodology is the usage of a high order Finite Impulse Response (FIR) filter.  As a result, an overwhelming computation effort was needed to suppress the structural vibration of the aircraft. In this chapter,  an adaptive feedforward control algorithm where the feedforward filter is parameterized using orthonormal basis expansions along with a recursive least square algorithm with a variable forgetting factor is proposed for the feedforward compensation of gust loads.  With the use of the orthonormal basis expansion, the prior flexible modes information of  the  aircraft dynamics can  be  incorporated to  build the  structure of  the feedforward controller. With this strategy, the order of the feedforward filter to be estimated can  be  largely reduced.    As  a  result,  the  computation effort is  greatly decreased,  and the performance of the feedforward controller for gust loads alleviation will be enhanced. Furthermore, an FFT based PolyMAX identification method and the stabilization diagram program (Baldelli et al., 2009) are proposed to estimate the flexible modes of the aircraft dynamics. The need for an integrated model of flight dynamics and aeroelasticity is brought about by the emerging design requirements for slender, more flexible and/or sizable aircraft such as the Oblique Flying Wing (OFW), HALE, Sensorcraft and morphing vehicles, etc. Furthermore, a desirable unified nonlinear simulator should be formulated in principle by using commonly agreeable terms from both the flight dynamics and aeroelasticity fields in a consistent manner. A  unified  integration framework that  blends  flight  dynamics and  aeroelastic modeling approaches with  wind-tunnel or  flight-test data  derived aerodynamic models has  been developed in (Baldelli & Zeng, 2007). This framework considers innovative model updating techniques to upgrade the aerodynamic model with data coming from CFD/wind-tunnel tests for a rigid configuration or data estimated from actual flight tests when flexible configurations are considered. Closely following the unified integration framework developed in (Baldelli & Zeng, 2007), an F/A-18 Active Aeroelastic Wing (AAW) aeroelastic model with gust perturbation is developed in this chapter, and this F/A-18  AAW aeroelastic model can be implemented as a test-bed…

Boomi Nathan

Introduction to Gain Tuning of Flight Control Laws for Satisfying Trajectory Tracking Requirements

The present chapter is concerned with presenting an approach for the synthesis of a gain- scheduled flight  control  law  that  assures compliance to  trajectory tracking requirements. More precisely, a strategy is proposed for improving the tracking performances of a baseline controller, obtained by conventional synthesis techniques, by tuning its gains.  The approach is specifically designed for atmospheric re-entry applications, in which  gain scheduled flight control  laws are typically used. Gain-scheduling design approaches conventionally construct a nonlinear controller by combining the members of an appropriate family of linear time-invariant (LTI) controllers (Leith & Leithead, 2000). The time-invariant feedback laws usually share  the same structure, and  differ  only  for  the  values  of some  tunable parameters, most  notably the  controller’s gains.  These  gains  are  generally determined taking  advantage of well-assessed LTI-based design techniques, such as pole placement and  gain/phase margin methods. However, once a set of LTI feedback laws is specified, the nonlinear controller must be synthesized, which requires an additional design step.  This step  is of considerable importance since the choice of nonlinear controller realization can greatly influence the closed  loop  performance (Leith…

Boomi Nathan

Introduction to Quantitative Feedback Theory and Its Application in UAV’s Flight Control

Quantitative feedback theory (hereafter referred as QFT), developed by Isaac Horowitz (Horowitz, 1963; Horowitz and Sidi, 1972), is a frequency domain technique utilizing the Nichols chart in order to achieve a desired robust design over a specified region of plant uncertainty.  Desired  time-domain  responses  are  transformed  into  frequency  domain tolerances, which  lead  to  bounds (or  constraints) on  the  loop  transmission function. The design  process  is  highly  transparent,  allowing  a  designer  to  see  what  trade-offs  are necessary to achieve  a desired performance level. QFT is also a unified theory that  emphasizes the use  of feedback for achieving the desired system performance tolerances despite plant uncertainty and plant disturbances. QFT quantitatively formulates these  two  factors  in the form  of (a) the set  R   {TR } of acceptable D               D  command  or  tracking  input-output  relationships  and   the   set    {T  } of  acceptable disturbance  input-output  relationships, and   (b)  a  set   {P} of  possible plants  which…

Boomi Nathan

Introduction to Fundamentals of GNSS-Aided Inertial Navigation

GNSS-aided inertial navigation is a core technology in aerospace applications from  military to civilian.   It is the product of a confluence of disciplines, from  those  in engineering to the geodetic sciences  and  it requires a familiarity with  numerous concepts within each  field  in order  for its application to be understood and  used  effectively.    Aided inertial navigation systems require the  use  of  kinematic, dynamic and  stochastic modeling, combined with optimal estimation techniques to  ascertain a  vehicle’s  navigation state  (position,  velocity and  attitude).  Moreover, these  models are  employed within different frames  of reference, depending on the application. The goal of this  chapter is to familiarize the reader with  the relevant fundamental concepts. Background Modeling motion The goal of a navigation system is to determine the state  of the vehicle’s  trajectory in space relevant to guidance and  control.  These are namely its position, velocity  and  attitude at any time. In inertial navigation, a vehicle’s path is modeled kinematically rather than dynamically, as  the  full  relationship of forces  acting  on  the  body  to  its  motion is quite  complex.    The kinematic model   incorporates  accelerations and  turn  rates  from  an  inertial measurement unit  (IMU) and  accounts for effects  on  the  measurements of the  reference frame  in which the  model  is formalized.  The kinematic model  relies  solely  on  measurements and  known physical properties of the reference frame,  without regard to vehicle dynamic characteristics.…

Boomi Nathan

Introduction to ATM systems and Wind Farms

Air safety  includes all the rules  and  processes that  enable  commercial and  cargo  aeroplanes to fly safely  across  the  European Union.  It includes rules  on aircraft  construction and  use, infrastructure safety, data  management and analysis, flying operations, and cargo. Air safety management aims to spot potential accidents and incidents before they occur. It is not the same as air security, which  seeks to prevent voluntary illegal and  harmful acts in the field  of  aviation. The  wind is  an  increasingly important  source   of  energy, but  negative impact on  air  transport is in area  of Air  Traffic  Services.  Communication Navigation and Surveillance systems are  endangered with  big  wind farms.  Primary problem is  in  radar system and is detailed described in my text. The  potential impacts of  wind farms  on  air  traffic  management include the  cumulative effects  on  the  Slovak  republic airspace management  and  surveillance infrastructure  and affect the following systems:      Primary Radar,      Secondary Surveillance Radar  (SSR),      Microwave links associated with  a) and …

Boomi Nathan

Introduction to Legal aspects of Air traffic management based on satellite navigation

“Air Traffic Control’s primary objective  is to ensure flight  safety:  pilots  in their  cockpit  are to a large  extent  « blind  » to the exterior world and,  given  the aircraft  speed and  trajectory complexity, it is necessary to control  them  from  the  ground in order to make  sure  that  of course  there  are no accidents, but  also to ensure the overall  fluidity and  efficiency  of traffic flows. Air Traffic Control (ATC) is based  on two main  pillars:  “surveillance”, which  enables ground  operators to  know   precisely where  the  aircraft   are,  and   the  “controller”, who manages the  safety  of  flights  .Ever  since  the  implementation of  radars in  the  70s-80s  as surveillance  means,   air   traffic   control    has   not   evolved  much:    ATC   is   essentially “craftsmanship”,  and   relies  entirely  on  the  controllers’  individual  capability to  handle always more  traffic. Even though air transport has exceptionally good  reliability and  safety records, to  a  large  extent   thanks to  the  high   quality of  work   performed by  air  traffic controllers, this  craftsmanship is  becoming anachronistic: in  the  information society  era, communications between controllers and pilots  are still using  the voice-radioiii!” The current Air Traffic Management (ATM) is based  on ground navigational system  such as radar and  voice  communications experience difficulty in meeting growing demand of air traffic.  Despite  economic recession ICAOiv expects   moderate growth of  air  traffic  of  3.3 percent to 5 percent during  2010-11v.According to aircraft  manufacturer Airbus, global  air passenger traffic  is set  to  increase  by  over  150% over  the  next  20 years,  representing an annual growth of  4.7%.  The  size  of  the  world’s  passenger aircraft   fleet  will  double in number from  14,016 in 2008 to 28,111. The fastest  growing regions will be India,  China  and Africa,  driven by  deregulation,  economic growth, …

Boomi Nathan

Introduction to Development of a Time-Space Diagram to Assist ATC in Monitoring

Continuous Descent Approaches Continuous Descent Approaches (CDA) have shown to result in considerable reductions of aircraft noise during the approach phase of the flight (Erkelens, 2002). Due to uncertainties in aircraft behaviour, Air Traffic Control (ATC) tends to increase the minimum spacing interval in these approaches, leading to considerable reductions of runway capacity (Clarke, 2000). To enable the application of such procedures in higher traffic volumes, research has advanced in the creation of airborne tools and 4-dimensional prediction algorithms. Little research has addressed the problem of sequencing and merging aircraft in such an ap- proach, however.  In this chapter we present the Time-Space Diagram (TSD) display that shows the aircraft along-track distance to the runway versus the time.  On this display, the in-trail separation is presented as the horizontal distance between two predictions. It is hy- pothesised that this display will enable the air traffic controller to meter, sequence and merge aircraft flying a CDA at higher traffic volumes.  In this chapter, the TSD will be introduced and the effects of various common separation techniques on the predictions of the display are discussed in detail. The display is currently being evaluated by actual air traffic controllers in a simulated traffic scenario to provide an initial validation of the design. Problem statement ATC in CDA procedures According to Annex 11 to the Convention on Civil Aviation (ICAO, 2003), the primary goal of ATC is to provide service for the purpose of safe, orderly and expeditious flow of traffic. In approach control, this task can be described as minimising delays while maintaining suf- ficient separation between the aircraft. During the TDDA, the in-trail distance between two approaching aircraft should therefore reach, but not go below, the minimal distance required. To achieve this, the primary tool common to all approach controllers is the two-dimensional Plan View Display (PVD). This screen shows the, mostly radar-derived, planar positions of the aircraft combined with numeric data on their velocity and altitude. Using this data, the Air Traffic Controller (ATCo) builds a mental model of the traffic scenario, commonly referred to as the “picture” (Nunes & Mogford, 2003).  By mentally predicting the trajectories of the aircraft on the screen, the controllers can anticipate on the future spacing and select the ap- propriate actions to adjust spacing if necessary. The certainty of predicting the aircraft future positions depends on the skill of the controller, the behaviour of the aircraft involved and the length of the interval over which the prediction is made (Reynolds et al., 2005). Controller prediction accuracy…

Boomi Nathan

Introduction to Investigating requirements for the design of a 3D weather visualization environment for air traffic controllers

This chapter involves a long-term investigation into  the  applicability of three-dimensional (3D)  interfaces  for  Air  Traffic  Control  Officers   (ATCOs).   This  investigation  is  part   of collaboration between  EUROCONTROL Experimental Centre (EEC)  and  the  Norrköping Visualization and Interaction Studio  (NVIS) of Linköping University in which  a test-bed was developed in order to evaluate the different features of a 3D interface for ATCOs. This test- bed, known as the 3D-Air Traffic Control (3D-ATC) application, provides controllers with  a detailed semi-immersive stereoscopic 3D representation of air  traffic.   Different aspects  of the  3D-ATC  application include 3D  visualization and  interactive resolution  of  potential conflict  between flights  (Lange  et al., 2006), a voice  command interface for visualizing air traffic (Lange  et al., 2003), and  interactive 3D weather images  (Bourgois  et al., 2005). Among these  various features, the 3D weather visualization was  chosen  as a first case for carrying out a more accurate users’ study. Weather  is  considered  as  one   of  the   major   factors   contributing  to  aviation  accidents (Spirkovska and  Lodha,   2002). As  stated by  Kauffmann and  Pothanun (2000)  “weather related accidents comprise 33% of commercial carrier  accidents and 27% of General Aviation (GA) accidents”. Moreover, adequate weather information (both  for now-cast and  forecast information) is often  not  available to  pilots  or  controllers. The  limitation in  the  way  the weather information is represented in current weather displays has been also pointed out in…

Boomi Nathan

Introduction to Time-based Spaced Continuous Descent

Approaches in busy Terminal Manoeuvring Areas Mitigation of aircraft noise for approaching aircraft is an area where considerable improve- ments are still possible through the introduction of noise abatement procedures, such as the Continuous Descent Approach (CDA) (Erkelens, 2000). One of the main issues when imple- menting CDAs is their negative effect on runway throughput, especially during busy oper- ations in daytime. A reduction in landing time intervals might be achieved through precise inter arrival spacing. The combination of aircraft performing the CDA controlled by precise spacing algorithms is seen as one of the solutions to safely increase runway throughput, re- duce delay times for arriving aircraft, and reducing fuel burn, emissions and noise impact (De Gaay Fortman et al., 2007; De Leege et al., 2009; De Prins et al., 2007). The main algorithms used in these researches are all based on the Flap/Gear Scheduler (FGS) developed by Koeslag (2001) and improved by In ‘t Veld et al. (2009). The FGS is evaluated in these researches to investigate the effects of different flight path angles, different types of aircraft, different aircraft weight configurations and different wind conditions on FGS perfor- mance. The FGS is also combined with time and distance based spacing algorithms to ensure proper spacing between aircraft in arrival streams. There are more spacing algorithms developed to control the Time-based Spaced CDA (TSCDA), such as the Thrust Controller (TC) by De Muynck et al. (2008) and the Speed Constraint De- viation controller (SCD), both developed at the National Aerospace Laboratory (NLR). The performances of these three controllers are evaluated in this chapter. Fast-time Monte Carlo Simulations (MCS) are performed using a realistic simulation environment and a realistic sce- nario. The effects of different wind conditions, aircraft weight configuration, arrival stream setup and the position of the aircraft in the arrival stream on the performance of the controllers are also evaluated. In Section 2 the definition of the TSCDA is elaborated by discussing the goals of this concept and by giving the description of the approach used in this research. In Section 3 the working principles of the controllers are discussed. The results of the initial simulations performed to…

Boomi Nathan

Introduction to The potential of some of the innovative operational procedures for increasing the airport landing capacity

Despite continuous efforts by the air transport system operators, regulators, and  researchers (academic and  consultants), the problem of providing sufficient airport runway capacity to match continuously growing demand safely, efficiently, and effectively has had rather limited success. A[art from growing demand, the specific environmental (mainly noise) constraints at many  large airports both in US and Europe have prevented the full utilization of the designed runway  capacity. The  sharp  concentration of  atms  (air  transport  movements) (one  atm corresponds to one landing or one take  off) within the rather short  time  periods at the hub airports due to operating the hub-and-spoke networks has created sharp peaks causing further already existing imbalance between demand and the available runway capacity. At some other airports  one   of  which   is,  for   example  New   York   La  Guardia  airport  (US),  a  high demand/capacity imbalance has been created simply because of their  attractiveness and  not primarily due  the type  of airline  scheduling practice. In addition, specifically in the US, the operation of airports under IMC (Instrument Meteorological Conditions) and  VMC (Visual Meteorological Conditions) and the corresponding difference in the ATC (Air Traffic Control) minimum landing distance-based separation rules (IFR – Instrument Flight Rules, and VFR – Visual Flight Rules, respectively) have  inherently created instability of the airports’ declared runway  landing   capacities and  consequently their  rather high  vulnerability to  weather conditions. In Europe, such capacity instability caused by weather has also been relatively high, even though the aircraft landings have been carried out exclusively by applying IFR under both IMC and  VMC. As well, the shortage of land  for expanding the airport runway capacity at many airports has also contributed to the above-mentioned demand/capacity imbalance there…

Boomi Nathan