Design and development of a relative position determination system for unmanned aerial vehicles

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have been, in recent years, the subject of numerous technological developments with applications ranging from civilian use to military ones. In this context, the Department of Aerospace Science and Technology of the Politecnico di Milano decided to promote a new project named STUFF (System Technology for UAV Formation Flight), whose aim is to investigate the possibility of automatic formation flight for a fleet of fixed-wing UAVs. The scope of the present assertion is to design a system performing autonomous formation flight between two aircraft in configuration leader- wingman, starting from the geometry of the UAV and the control law devel- oped during the first step of the STUFF project. An ultrasonic system has been chosen to measure the relative distance between the two aircraft . In particular, it was decided to use four transmitters, installed on the leader, and four receivers on the wingman. With this system it is possible to know the relative distance, which allows to compute the unknown position of the wingman. Firstly, the geometry of the problem leader-wingman has been studied to understand and organize the time in transmission of the pulses in order to avoid overlapping in the reception. Before that, some studies on the propagation of the ultrasonic pulse were done to explore the effects of the humidity and height variation. After this, a localization problem has been investigated to compute the unknown positions of the receivers, given the Time Of Flight (TOF) of the ultrasonic pulses. A centralized and range-based positioning method has been chosen, aiming to have good position accuracy and also a realizable low-cost system. A multilateration algorithm, solved using Iterative Least Square (ILS), was implemented in order to find a solution to the localization problem. Secondly, the algorithm developed was tested in various configurations in order to check the correct functioning. Analysis with noise were investigated to take into account the measurement error introduced by environmental noise and propagation distortion. After this, an error evaluation with which it is determined the accuracy of the estimated position, has been calculated. Finally, the attitude determination of the wingman, and a possible additional opportunity of the system developed, have been studied. In particular, with the four estimated positions of the receivers, the attitude of the wingman has been determined and, an automatic system to perform autonomous landing of a quadcopter was developed as an additional opportunity. In this way, a landing zone was created, using the ultrasonic transmitters installed on ground. With this geometry, it is possible to compute the position of the quadcopter, and control its descent on ground.

Gli Aeromobili a Pilotaggio Remoto (APR) sono stati, in questi ultimi anni, oggetto di numerosi sviluppi tecnologici con applicazioni che spaziano da usi civili a quelli militari. In questo filone di ricerca si inserisce il progetto promosso dal Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali del Politecnico di Milano con il nome di STUFF. L’obiettivo principale di questa attività è lo studio e la progettazione di un sistema a basso costo per effettuare dei voli automatici ed in formazione tra una flotta di APR ad ala fissa. L’intera attività di ricerca, iniziata con la progettazione e lo sviluppo del primo esemplare di questa flotta, chiamato DR-One, prosegue con questo lavoro di tesi con l’obiettivo principale di studiare e realizzare un sistema tecnologico che permetta di effettuare il volo automatico considerando solo due esemplari in formazione leader-gregario. L’idea è, quindi, quella di sviluppare un sistema che riesca a rilevare la posizione relativa del gregario rispetto a quella del leader e, con queste informazioni, procedere all’inseguimento della traiettoria desiderata. A tale scopo si è deciso di adoperare dei sensori ad ultrasuoni (quattro trasmettitori sul leader e quattro ricevitori sul gregario) al fine di misurare, tramite il tempo di volo dei segnali, la distanza relativa. Note queste ultime, si è sviluppato un algoritmo di posizionamento che permette di determinare la posizione incognita del gregario, nonchè il suo assetto. Questi parametri vengono utilizzati per mantenere la traiettoria del leader, tramite una legge di controllo appositamente progettata nella prima fase del progetto STUFF. Il lavoro è partito dallo studio della geometria della configurazione leader-gregario per identificare, in primo luogo, una regione di volo in cui sia possibile determinare la posizione incognita con la tecnologia adoperata. Utilizzando dei sensori ad ultrasuoni, al fine di definire tale regione, si è quindi analizzato l’effetto che l’umidità, l’attenuazione dell’aria e la variazione di quota e temperatura comportano sulla trasmissione di un’onda di pressione. Determinare con buona approssimazione l’area di volo in cui il gregario si dovrebbe trovare, è fondamentale per organizzare i tempi di trasmissione dell’impulso del singolo sensore. Infatti, essendoci quattro trasmettitori, ogni impulso deve arrivare ai quattro ricevitori sul gregario, senza che vi siano sovrapposizioni in arrivo. Preliminarmente è stata calcolata la Diluizione della Precisione (DOP). Questo parametro tipicamente usato in tutti i problemi di localizzazione, viene calcolato per capire, tramite sole considerazioni geometriche, in che punti della regione di volo la posizione stimata può essere affidabile. Il passo successivo è stato lo sviluppo dell’algoritmo di posizionamento che, avendo in ingresso la posizione dei sensori installati sul leader e le relative distanze misurate, restituisce la posizione incognita del gregario. Con l’obiettivo di realizzare un sistema a basso costo e che sia abbastanza preciso nel determinare la posizione incognita, si è scelto di utilizzare un metodo di posizionamento basato sulla multilaterazione, risolto con il metodo ai minimi quadrati in forma iterativa. L’algoritmo sviluppato è stato, quindi, simulato in varie condizioni al fine di testarne la sua validità. In tali simulazioni è stata inclusa la presenza di misure affette da rumore per tenere conto dei disturbi ambientali e di funzionamento dei sensori. Tenendo conto di ciò, si è potuto procedere al calcolo della precisione con la quale vengono stimate le posizioni dei sensori nelle tre direzioni dello spazio. Si è infine trattata la determinazione dell’assetto del gregario, e un possibile impiego aggiunto del sistema sviluppato. In particolare, partendo dalle quattro posizioni calcolate tramite l’algoritmo di posizionamento, è possibile determinare l’assetto in tempo reale del gregario, calcolando gli angolo di rollio, beccheggio ed imbardata. Si è studiata, quindi, la possibilità di utilizzare il sistema sviluppato per effettuare anche la gestione di atterraggi automatici di velivoli a pilotaggio remoto multirotori. In particolare, sono stati utilizzati i trasmettitori come base a terra per creare una regione in cui è possibile determinare l’altezza del velivolo e controllarne quindi la discesa.