Reti di sensori wireless intelligenti per il monitoraggio degli aerei

Nel tradizionale sistema di monitoraggio di bordo degli aerei, i dati rilevati da deformazione, vibrazione, ultrasuoni delle strutture o temperatura e umidità nell'ambiente della cabina, vengono trasmessi all'archivio dati centrale tramite cablaggi. Tuttavia, esistono ancora degli svantaggi nei sistemi di monitoraggio cablati, come costose installazioni e manutenzioni, nonché complicate connessioni cablate. Negli ultimi anni, si è creato un crescente interesse verso i sistemi di monitoraggio basati su rete di sensori wireless intelligenti che consentono vantaggi di flessibilità, basso costo e facilità di implementazione. In questo articolo descriveremo una panoramica sul sistema di monitoraggio degli aerei mediante una rete di sensori wireless intelligenti.

Introduzione

In un tipico aeromobile commerciale o militare, il sistema di monitoraggio di bordo include sistemi critici per la sicurezza (ad esempio, il sistema di controllo del motore e il sistema di controllo del volo) e sistemi non critici per la sicurezza (ad esempio, il sistema di monitoraggio dello stato della struttura, sistema di controllo ambientale della cabina e il sistema di intrattenimento in volo). Tradizionalmente, un gran numero di sensori operanti in tempo reale basati su connessioni cablate sono serviti per l'attuale sistema di monitoraggio comportando centinaia di migliaia di cavi costituiti da alcune decine di migliaia di connettori dei sensori e oltre 100.000 conduttori. Il sistema cablato ha caratteristiche distinte come la canalizzazione dei cavi, un'attività piuttosto rigorosa e complicata. Ad esempio, la canalizzazione dei cavi di alimentazione e la canalizzazione dei cavi del segnale elettrico dovrebbero essere fisicamente separate per impedire interferenze elettromagnetiche. L'utilizzo del cablaggio è limitato dalle posizioni accessibili dei sensori e dalle condizioni ambientali difficili. L'installazione di cavi più lunghi in strutture di grandi dimensioni richiede molto tempo e manodopera. Il degrado del cablaggio potrebbe contribuire negativamente sull’andamento della missione di volo e provocare anche gravi guasti con esito catastrofico. Quindi, il sistema di monitoraggio cablato tradizionale soffre di molte carenze dovute principalmente al percorso dei cavi, specialmente se molto lunghi, che collegano ogni sensore a un'unità centrale.

Fino ad ora, i progressi raggiunti nelle tecnologie dei sensori integrati e nella trasmissione dati wireless hanno esteso la capacità di monitoraggio delle strutture aeronautiche, delle apparecchiature di collaudo a terra e dei veicoli spaziali e dell'ambiente di cabina. Uno dei principali vantaggi potenziali dell'utilizzo della rete di sensori wireless per il sistema di monitoraggio è la riduzione del peso e dei tempi di installazione del sistema dell'aereo, il minor consumo di carburante, la manutenzione e la revisione. Il sistema di rete di sensori wireless fornisce un nuovo approccio per risolvere molti problemi intrinseci alla strumentazione cablata, come l'efficienza del carburante, le emissioni di carbonio e la massa di volo. Si sta avvertendo un possibile uso interessante della rete di sensori wireless per il monitoraggio dell’aereo. Negli aerei, a causa di elevati angoli di attacco in decollo/atterraggio, manovre improvvise del pilota, turbolenza, raffiche di vento e normali onde d'urto sull'ala a velocità ultrasonica, si verifica la separazione dello strato limite sulle ali, con conseguente fenomeno della resistenza parassita e stallo. Per questo motivo, l'implementazione in posizioni strategiche di sensori attivi e attuatori wireless per il controllo del flusso d'aria, in particolare sull'ala, per fornire informazioni sul flusso d'aria in tempo reale e metriche decisionali al sistema locale, si riflette sulla necessità di realizzare un efficiente sistema di controllo del flusso d'aria a circuito chiuso.

Il sistema di rete di sensori wireless intelligenti può implementare l'autoconfigurazione, la tolleranza alle interferenze RF e la risoluzione dei problemi di manutenzione. Nelle applicazioni critiche, sebbene i collegamenti wireless non possano sostituire completamente i cavi, alla luce dei requisiti di elevata affidabilità, possono anche funzionare come collegamenti ridondanti, migliorando l'affidabilità e la flessibilità del sistema di monitoraggio di bordo. Inoltre, il sistema di rete di sensori wireless aumenterà la sicurezza e la flessibilità del sistema avionico rispetto al sistema di cablaggio, grazie all'elaborazione meno complicata delle allocazioni dei guasti e dei rischi di incendio. Questa idea di utilizzare il sistema di rete di sensori wireless per il sistema di monitoraggio di bordo degli aerei è stata inizialmente introdotta dai ricercatori all'inizio del 21° secolo e diversi ricercatori hanno sottolineato i potenziali vantaggi di questa tecnologia rispetto ai tradizionali sistemi di monitoraggio. Tuttavia, i problemi dovrebbero essere ancora evidenziati quando questi sistemi hanno funzionato a lungo termine. Di fatto, i primi prototipi di sistemi di rete di sensori wireless utilizzavano microprocessori a bassa potenza di elaborazione accoppiati con convertitori analogico-digitali (ADC) a bassa risoluzione e bassa frequenza di campionamento, ma ora la tecnica rende disponibili sofisticati dispositivi di rilevamento e condizionamento del segnale. Recentemente, un certo numero di studiosi si è dedicato ad indagare su questioni chiave (ad esempio, potente prototipo hardware, protocollo di rete, sincronizzazione oraria e rilevamento passivo) in questo campo, indicando che il sistema di rete di sensori wireless diventa sempre più pratico nel sistema di monitoraggio di bordo degli aerei. I rapidi progressi sui materiali compositi e sui sensori piezoelettrici hanno presentato nuove opportunità nel campo del monitoraggio di bordo degli aerei, essenziali per effettuare analisi più complete per il monitoraggio di danni, impatti e crepe strutturali. Tipicamente, l'integrazione di sensori piezoelettrici e reti di sensori wireless ha aperto una nuova frontiera al sistema di monitoraggio di bordo attivo. La semplicità, la robustezza e il costo potenzialmente basso dei sensori piezoelettrici determinano l'idoneità del loro inserimento nelle strutture composite dei velivoli.

La rete di sensori wireless intelligenti

Il sistema di monitoraggio di bordo degli aerei include principalmente il monitoraggio dello stato strutturale e il monitoraggio ambientale della cabina dell'aereo. Raccoglie dati da vari sensori distribuiti sulle strutture e all'interno della cabina dell'aereo, implementando rispettivamente il monitoraggio dello stato strutturale dell’aereo e il monitoraggio ambientale della cabina. Con il rapido sviluppo di nuovi materiali e tecnologie avanzate in aeronautica, le strutture moderne stanno diventando sempre più complesse. Lo stato strutturale dell'aereo, compresa la tecnologia di rilevamento dei danni, la stima delle condizioni globali basata su fibra ottica, la tecnologia di rilevamento multisensoriale e la valutazione strutturale, fornisce approcci per valutare le condizioni dello stato generale dell’aereo e garantisce la sicurezza delle strutture complesse. In particolare, la risposta strutturale si ottiene attraverso il monitoraggio online dello stato strutturale di deformazioni, vibrazioni, ultrasuoni e dei sensori piezoelettrici installati sulle strutture degli aerei. La risposta viene utilizzata per valutare la vita residua della struttura del velivolo, oltre a sviluppare la prognosi e la gestione della stato dell’aereo. Nel complesso, la prognosi e gestione della stato dell’aereo ha lo scopo di risparmiare denaro per la manutenzione e garantire che la struttura funzioni in modo efficiente durante l'intera vita prevista dell’aereo. La cabina dell'aereo, piena di una miscela di aria esterna e di ricircolo, è una struttura semichiusa. Generalmente, la cabina dell'aereo si trova in condizioni dinamiche di bassa umidità e bassa pressione. Inoltre, varie concentrazioni di ozono, monossido di carbonio, anidride carbonica e altre sostanze chimiche vengono generate e diffuse nella cabina dell'aereo. Diverse posizioni (ad esempio, a terra, in salita, in crociera o in discesa) dell'aereo determinano il livello di contaminanti invasi da fonti esterne. Se il livello di contaminanti non viene monitorato in tempo reale e regolato tempestivamente, è dannoso e pericoloso per i passeggeri e gli equipaggi. Per comprendere ulteriormente la struttura della rete di sensori wireless avionici, bisogna considerare la comunicazione wireless dal punto di vista della rete distribuita nel sistema di monitoraggio dell’aereo. Il sistema di comunicazione della rete di sensori wireless include tre componenti: sensori intelligenti, inter-rete e server remoti. All'interno della rete, vari sensori intelligenti distribuiti nell’aereo si connettono ai nodi di sensori wireless. È chiaro che la rete è formata da tutti i nodi del sistema di sensori wireless. Oltre alla rete di sensori wireless, i nodi del punto di accesso e il gateway creano un ponte verso altre reti nell’aereo come quelle dei dispositivi portatili, display della cabina di pilotaggio e sistema di controllo. Infine, le applicazioni dati di livello superiore, tra cui la rete satellitare, la stazione di terra, il centro di controllo del traffico aereo e il sistema di gestione, si basano su queste reti specifiche. Per la comunicazione e le reti all'interno di un aereo, la rete di sensori wireless è diventata una buona rete complementare ad una rete di comunicazione cablata in volo. La Figura 1 illustra un esempio di applicazione della rete di sensori wireless per il monitoraggio delle ali dell'aereo.

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