Interfaccia Uomo-Macchina

Il progetto CellCraft nacque inizialmente come idea che prevedeva la rivisitazione di alcuni elementi architettonici che compongono il cockpit ed i comandi di volo di un aeromobile tipo, questo includeva lo studio per lo sviluppo di un sistema di interazione uomo-macchina efficace e soprattutto efficiente che fosse interattivo e garantisse un elevato grado di sicurezza.
I primi studi infatti furono improntati nel concepire una nuova idea di cockpit per elicottero che avrebbe risolto alcuni problemi di gestione delle macchina ad ala rotante, ridefinendo in maniera più attiva ed interessante l’intera architettura. Poiché sin dai primi anni novanta si cominciava ad intravedere uno sviluppo interessante sia dell’hardware che del software disponibile per uso domestico e gestionale, tanto da essere facilmente concepibile per applicazioni a sistemi volanti complessi avevo per questo motivo deciso di iniziare uno studio apposito cercando di disegnare un modello di cockpit ideale.

Il primo passo fu quello di partire dall’elemento umano: dal pilota. Il punto di osservazione a me molto familiare parte dal sedile di comando, poiché esso - cosi come i comandi di volo - è il primo elemento di contato con il velivolo. Successivamente la mia attenzione si focalizzò sia sulla giusta qualità che sulla quantità delle informazioni necessarie alla conduzione del volo, stabilendone un grado di importanza e sopratutto di semplificazione della gestione dei parametri di volo incluso il manuale di volo digitale, insomma una gestione ottimale dell’insieme.

Questi furono gli elementi da cui inizialmente partivo per progettare il primo ambiente ideale di interazione pilota-velivolo. In quegli anni operavo già come pilota commerciale di elicotteri oltre ad avere una formazione di designer industriale, che era mia intenzione - grazie alle mie esperienze dirette - indirizzare sempre più verso il settore aeronautico.
Il continuo contatto con la macchina in prima persona mi permise di concepire uno studio ideale di questo tipo, con un primo progetto relativo ad uno speciale elicottero con rotori intubati: il DDRH (Double Duckted Rotor Helicopter). La macchina aveva un cockpit molto simile a quello che poi disegnai per il CellCraft G150 e quelli susccessivi qualche anno più tardi.
Fu proprio lo sviluppo di questo tipo di progetto che mi stimolò a tal punto da completare il velivolo finale, fino ad uscire fuori dal cockpit, cominciando a pensare ad una macchina che non somigliasse del tutto ad un elicottero pur conservandone le caratteristiche principali, e che si sposasse perfettamente con quello che era il suo cervello: il pilota.
Una macchina capace di volare sia in modalità verticale come un convenzionale elicottero, sia in orizzontale ma alla elocità di crociera di un aeroplano, avente allo stesso tempo delle caratteristiche completamente innovative sia nel sistema di propulsione che nel mio caso specifico doveva essere elettrico o ibrido e che avrebbe permesso di eliminare o ridurre la presenza di alcuni elementi sconvenienti tra i quali pesantissimi e complessi organi di trasmissione o moltiplicatori idraulici di qualsiasi tipo. Queste erano le direttive che mi ero imposto sin dal principio della mia storia di progettazione della serie CellCraft e Verticraft.
   
Smart Chair

La SMARTH CHAIR è dunque l’inizio dell’intera storia e del conseguente sviluppo del CellCraft. Si tratta di qualcosa che somiglia poco a quello che noi consideriamo il classico sedile o posto a sedere di un aeromobile, sia per la sua architettura, sia per la sua funzione che in questo caso cambiano notevolmente.

Il sedile di comando è costruito su di un telaio di alluminio ed alcuni elementi in acciaio leggero, ricoperti con una serie di sacche pneumatiche che lo rendono leggero e particolarmente anatomico oltre che confortevole in molteplici condizioni di stress da volo prolungato. Un apposito sensore è in grado di calcolare le variazioni di pressione del corpo del pilota sulla sua superficie in modo da poterne definire il livello di accelerazioni subite, interagendo con l’AFC che come vedremo più in avanti avrà un ruolo importante anche rispetto a questo elemento.
Il pilota può programmare, memorizzandoli, una serie di parametri, come posizione, rigidità e livello di interazione con la macchina, richiamabili in un secondo momento sia attraverso i comandi di bordo sia pre-memorizzandoli in un dispositivo portatile chiamato FLIGHT CARD; cosi come vedremo in altre sezioni relative a questo elemento.

All’interno della SMARTH CHAIR alloggiano alcuni elementi elettronici oltre che a sensori della pressione pneumatica come sopra descritto, vi sono tre accelerometri rispettivamente per la misurazione delle accelerazioni sia verticali sia laterali che orizzontali che avvengono sulla poltrona costantemente lungo tutta la fase del volo, oltre ai comandi di volo ed al sistema elettronico di interpretazione e digitalizzazione delle informazioni provenienti da essi; a loro volta provvisti di sistemi di comunicazione come descritto nella sezione relativa.
La SMARTH CHAIR è dunque un vero elemento singolo ed indipendente a se stante, essa è anche definita anche come interfaccia di controllo.

La SMARTH CHAIR può essere installata o rimossa a bordo della macchina attraverso una operazione semplicissima che assorbe solo qualche minuto ed una sola persona per compierla.
La struttura di alloggiamento al pavimento è composta di una piattaforma in acciaio bullonata, al centro della quale vi è un connettore a fibre ottiche ed un secondo cavo multipolare per le varie tensioni di alimentazione.

Il connettore ottico provvede alla trasmissione sia delle operazioni di input che di output di tutte le informazioni digitali che si muovono da e verso l’elemento, come le posizioni dei comandi, gli interventi su di essi, le attivazioni o disattivazioni di funzioni etc, cosi come per le informazioni che vengono pubblicate sui display del comando direzionale e quelle che vengono registrate sulla FLIGHT CARD.
La SMART CHAIR una volta a terra può essere montata su di una piattaforma apposita e connessa ad un sistema digitale che riproduce l’aeromobile su di un computer attraverso un software apposito, questo consente le operazione di diagnosi tecniche, la programmazione e la verifica dello stato dell’elemento, oltre che la simulazione e l’addestramento. Allo stesso modo è possibile diagnosticare lo stato della macchina sia a terra attraverso la manutenzione ordinaria - inclusa la connessione all’elaboratore principale di controllo per tutte le diagnosi elettroniche - sia attraverso un sistema remoto mentre la macchina è in volo, da qualsiasi posizione globale mediante sistema di connessione GPS. Alla fine di ogni missione mediante l’aggiornamento dei dati elaborati dalla FLIGHT CARD è possibile recuperare tutti i parametri di volo analizzandoli su di un comune computer di ufficio, attraverso un software dedicato in maniera istantanea ed efficace per una successiva e più accurata analisi a terra, sia della conduzione del volo, sia di parametrici tecnici relativi al funzionamento dell’aeromobile.

L’idea di raggruppare elementi secondo un preciso schema di celle interconnesse tra loro, ma separabili facilmente senza laboriose operazioni grazie alle tecnologie di oggi sempre più elaborate ed integrate, sarà in futuro il concetto di base che nel mio caso rappresenta questo progetto. La SMARTH CHAIR infatti è una cella della macchina, un elemento separato, che racchiude in se una serie di funzioni che sono intorno al pilota e che negli aeromobili convenzionali sono collocate separatamente in spazi e posizioni diverse.
Questo elemento è in grado di interagire indipendentemente comunicando con la macchina in entrambe le direzioni, facilitando il compito del pilota e migliorando le condizioni di operatività, oltre ad ampliare come si vedrà in avanti buona parte delle possibilità offerte da questa tecnologia che permette di pilotare il CellCraft anche ad un pilota che non possiede l’uso delle gambe, cosi pure a chiunque voglia cimentarsi per le prima volta nel pilotare questa macchina meravigliosa, grazie ad un sistema tutor-dinamico più in avanti descritto.
 

Display tattile e console di comando

Come a capo di questo capitolo ’idea iniziale del progetto era inizialmente di rivedere il cockpit, in modo particolare alla disposizione degli attuatori, degli interruttori e di tutti quegli elementi meccanici distribuiti intorno al posto del pilota, spesso in maniera errata, confusa e poco ergonomica. Integrarli in un unico sistema visibile e facilmente accessibile era a quel tempo il mio obbietivo, separandoli per tipologia e funzioni. Questo era uno dei principali punti che mi prefissavo di raggiungere.
Già nella prima metà degli anni novanta esistevano dei display tattili, impiegati nell’industria meccanica per la gestione di macchine operatrici a controllo numerico, questo mi suggerì l’idea di impiegare questa tecnologia per sviluppare più tardi una serie di dispositivi come telefoni cellulari, computer ed altri tipi di apparecchiature. Una delle applicazioni più interessanti da cui partii sin da quel periodo fu l’idea di immaginare una sorta di cockpit ideale, un sistema in cui tutti gli interruttori e le funzioni di attivazione-disattivazione fossero raccolte attraverso menu grafici ed icone all’interno di un complesso dispositivo che le avrebbe proiettate su uno schermo tattile; in altre parole un display che avrebbe funzionato anche come centrale di comando.

Il primo tentativo di progettare un sistema del genere fu introdotto proprio sul DDRH (1996), un particolare tipo di elicottero con rotori elettrici intubati, che impiegava un singolo display sia per la navigazione che per il controllo motori, riproducendo una sorta di pannello virtuale che conteneva sia le spie di emergenza ed avviso, sia gli interruttori di attivazione per le varie funzioni. Il DDRH era dotato di una cloche che agiva elettronicamente sull’assetto della macchina, poiché l’aeromobile non era dotato di sistema di controllo ciclico, ma piuttosto provvisto di due rotori paralleli intubati. Il funzionamento di questo elicottero ricordava già in alcuni aspetti il futuro concetto legato al CellCraft poiché rappresentava una base sperimentale di partenza per esso.
Il comando collettivo invece era composto da una piccola leva al fianco sinistro del sedile. Entrambe le leve di controllo, incluso la pedaliera erano attivate attraverso un sistema fly-by-wire che azionava a distanza dei servoattuatori elettrici, mediante un semplice sistema elettronico proporzionale, che moltiplicava lo spostamento millimetrico delle leve in movimento degli assi dei rotori; questo dispositivo è ancora oggi presente su tutti i modelli CellCraft, DCL ( Directional Control Lever). Sulla testa del comando di potenza PCL (Power Control Lever) vi è lo slot di connessione della Flight Card che in quel caso funziona come indicatore-attuatore di gestione dei motori come accenzione etc. Al lato di esso invece c'è la leva di transizione dal volo stazionario al volo orizzontale e viceversa.

Nel progetto G150 invece il sistema di gestione delle informazioni fu concentrato in un solo display che fungeva anche da dispositivo di gestione delle funzioni principali della macchina. In aggiunta a questo dispositivo vi fu l’introduzione di comandi vocali, che sebbene limitati nelle operazioni fornivano già una ulteriore possibilità interessante che fu in seguito sviluppata ulteriormente nei progetti successivi attraverso possibilità ulteriori e più flessibili.

Entrambi i progetti, il CellCraft G450 ed il G455, sono dotati di un sistema di display tattili composti di tre unità differenti, uno per la navigazione e l’altro per la gestione dei parametri di volo ed i dispositivi di attuazione. Attraverso i display è possibile richiamare variegate funzioni, spostarle in una determinata posizione, variarne le dimensioni e perfino personalizzarne il layout grafico, tutte operazioni che verranno poi memorizzate all’interno della Flight Card personale.
La macchina è dotata di un terzo display tattile situato in alto al centro della cabina, che visualizza tutte le informazioni provenienti dal sistema AFC, incluso quelle relative alla gestione dei rotori, dei motori-generatori e dei sistemi ad esso collegati.
Rotori

Il CellCraft G450/455 è dotato di otto motori ad induzione trifase a magneti permanenti, sincronizzati elettronicamente attraverso un dispositivo digitale (Rotor Revolution Control) che utilizza una sequenza continua e coordinata di impulsi elettrici sui magneti dei motori. La frequenza di impulso viene calcolata dal sistema di controllo con estrema precisione e sincronismo. Ognuno dei motori può produrre una potenza pari a 50 kw. I motori sono assemblati all’interno del vano rotore a coppie di due e sono appositamente connessi attraverso un sistema meccanico interno.
Le pale del rotore costruite in fibra di carbonio ed anima in acciaio leggero sono dotate di dispositivo di brandeggio mediante un apposito supporto elastomerico viene assicurata una escursione limitata, evitando strappi meccanici dovuti ad improvvise variazioni di velocità di rotazione.
Ogni singola pala è montata su di un apposito anello, un cuscinetto che ne permette la rotazione sul suo asse di un valore massimo di 5°. Un secondo anello fisso collegato all’asse di rotazione delle pale agisce collettivamente in modo da modificare la variazione del passo collettivo mediante un servomeccanismo elettromeccanico di precisione doppio, sistemato all’interno della ogiva anteriore di ogni rotore.

L’anello che circonda il rotore, protegge le pale da urti esterni oltre che a fungere da supporto aerodinamico per la struttura intubata che come è noto riduce la resistenza indotta che si genera alla periferia delle pale (Aerodinamica Elicottero).
Il rotore è composto da una coppia di anelli portanti in alluminio che supportano il guscio esterno in materiale plastico. I motori ed i rotori sono invece fissati su di un anello di acciaio sospeso su tre bracci, uno dei quali attraversa l’ala a cui il rotore è collegato garantendo la rotazione di questi per un angolo massimo di 120° e cioè 90° in avanti e 20° all’indietro rispetto al piano orizzontale.

L’albero che sostiene ogni singolo rotore e che attraversa l’ala relativaè in acciaio aeronautico. Si tratta di una struttura tubolare, attraverso la quale passano sia i cavi di alimentazione dei due motori accoppiati che formano il rotore, sia il cavo ottico atto a trasportare le informazioni necessarie relative ai vari sensori verso l’AFC.
Una coppia calibrata di potenti servo meccanismi di precisione, agisce sulla rotazione di ogni singolo albero a seconda del tipo di manovra nella quale la macchina si trova ad operare. In fase di decollo e traslazione dalla modalità verticale a quella orizzontale. I quattro alberi si troveranno a compiere una rotazione progressiva in avanti per un angolo completo di 90° gradi dal piano originale. La rotazione avverrà in maniera sincronizzata e contemporaneamente in modo da disporre tutti e quattro i rotori sullo stesso piano verticale od orizzontale contemporaneamente.

Smarth Chair permette di effettuare tutte le operazioni come sopra descritto in modo semplice e sicuro per il pilota ed i passeggeri.
©Gino D'Ignazio Gizio