Distance control from vertical surfaces of a multirotor UAV designed for structural health monitoring of civil infrastructures

Nowadays, multirotor platforms used as Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are vastly increasingly, providing simple and reliable solutions for short-range missions in both civil and military field, e.g. aerial photography, security, agriculture, Structural Health Monitoring (SHM) of large infrastructures and so on. Regarding this research area, the main aim of this thesis work is to propose a general feasibility study for a multirotor UAV able to carry out SHM missions for buildings and industrial plants. This activity was carried out in collaboration with the SEGULA Technologies Italy company in order to provide a complete project of rapid implementation if future market needs will require it. Firstly, it is presented an analysis of existing legislation on UAVs in Italy, highlighting the critical aspects for complete safe and reliable operations. Then, after describing some possible damage detection techniques, the components necessary to the flight and to the mission are selected and a coarse analysis of the estimated acquisition costs and achievable performances is presented. Furthermore, evaluating the main problems of this kind of application and in order to give also a more complete added value to the entire project, the problem of distance holding of the UAV from a vertical surface is studied, implementing a Kalman filter for state estimation, which realizes a fusion between data coming from the on-board sensors i.e. the accelerometer and the ultrasonic proximity sensor, and designing a robust control architecture, optimally tuned with H∞ synthesis and which handles the traslational dynamics of the UAV. The robustness of this control system architecture is evaluated and verified in relation to some disturbance models that can occur during the flight, such as wind gusts and/or turbulences. Finally, the performances of the design control architecture are validated with the help of simulations of two already existing platforms provided by the Politecnico di Milano, i.e. a conventional quadrotor helicopter and a tiltrotor quadcopter, explaining, evaluating and comparing the obtained results.

Al giorno d’oggi, le piattaforme multirotore utilizzate come aeromobili a pilotaggio remoto (APR) sono sempre più diffuse, fornendo una soluzione semplice ed affidabile per missioni di corto raggio in ambito civile e militare, ad esempio riprese aeree video e fotografiche, sicurezza, agricoltura, monitoraggio e valutazione di danni a grandi infrastrutture e così via. Inserita in quest’ambito di ricerca, la presente tesi propone uno studio di fattibilità generale per un drone multirotore in grado di svolgere missioni di monitoraggio di danni strutturali a grandi opere. Tale attività è stata svolta in collaborazione con l’azienda SEGULA Technologies Italia con l’obiettivo di fornire un progetto di rapida attuazione qualora le future necessità del mercato lo richiedessero. Viene dunque in primo luogo presentata un’analisi della normativa vigente in materia di APR in Italia, evidenziando gli aspetti critici per operare in regime di totale sicurezza e affidabilità. Successivamente, dopo aver presentato due possibili tecniche di individuazione di aree danneggiate, vengono descritti e scelti i componenti necessari per il volo e per la missione, con un’analisi sommaria dei costi di acquisizione e delle prestazioni raggiungibili. Inoltre, valutando i problemi principali di questo tipo di applicazione e con l’obiettivo di fornire un ulteriore valore aggiunto all’intero progetto, viene studiato il problema del controllo di distanza del drone da superfici verticali, avvalendosi per la stima dello stato di un filtro di Kalman e progettando un controllo robusto tramite sintesi H∞ in grado di gestire la dinamica di traslazione del veicolo. La robustezza dell’architettura di controllo viene verificata tramite modelli di disturbo che possono concretizzarsi durante il volo, ad esempio raffiche di vento e/o turbolenze. Come piattaforme di simulazione vengono utilizzati due velivoli in dotazione al Politecnico di Milano, quali un quadricottero convenzionale ed un tiltrotor, illustrando, valutando e comparando le prestazioni dell’architettura di controllo progettata.