Software architecture, estimators and control for multirotor UAVs

In the literature on multirotors UAVs the emphasis is mainly on Guidance, Navigation and Control (GNC) issues, while limited attention is given to ground and on-board software design. In this sense, this thesis aims to contribute on projects started last year in Politecnico di Milano on this subject following the software engineering principles and best practices. The previous projects, focused mainly on design and model identification, totally lacked in software design, producing delays in the data flow and absence of security in tests. The goal of the thesis is to provide a complete set of software, estimators and infrastructure for remote UAVs control. In detail, it is presented an on-board architecture able to abstract from the hardware, to simplify the addition of new sensors and their integration, and to make possible the control of various type of variables, depending on the requirements. The on-board software implements a multi-level fail-safe to manage emergency situations. Past projects have been extended and integrated for the implementations of a stable position control. Optimized attitude and position filter have been produced for this purpose. Over this system, it is proposed a control unit able to allow both direct and remote control (using a communication infrastructure) of an UAV in indoor or outdoor conditions. This unit is capable of making some decisions autonomously, like landing in case of a sudden command change or a loss of communication. Finally, a safe application for remote control of vehicles is presented, using the most popular and complete frameworks and protocols for user interface, security and data management. Two different type of multi-copters have been used to test the code portability.

Nella letteratura riguardante gli Aeromobili a Pilotaggio Remoto (APR) multi-rotori il lavoro è concentrato principalmente sui problemi attinenti Guida, Navigazione e Controllo (GNC), mentre attenzione limitata è riservata al design del software a terra e a bordo. In questo senso questa tesi punta a contribuire ai progetti sviluppati nell'ultimo anno al Politecnico di Milano sull'argomento seguendo i principi e le norme dell'ingegneria del software. Questi progetti, orientati principalmente al design e all'identificazione del modello, mancavano totalmente nel design del software, producendo di conseguenza ritardi nel flusso dei dati e una totale assenza di sicurezza nei test sperimentali. L'obbiettivo di questa tesi è di fornire un set completo di software, stimatori e infrastrutture per il controllo remoto dei velivoli. Nel dettaglio è proposta un'architettura a bordo in grado di astrarsi dall'hardware utilizzato, semplificare l'aggiunta e l'integrazione di nuovi sensori e rendere possibile il controllo a diversi livelli, a seconda della richiesta. Il software a bordo implementa livelli di sicurezza multipli per gestire situazioni di emergenza. I progetti passati sono stati estesi e integrati per implementare un controllo di posizione stabile. Per questo scopo sono stati prodotti e ottimizzati un filtro per la stima dell'assetto e un filtro per la stima della posizione. Al di sopra di questo sistema, è proposta un unità di controllo in grado di permettere il volo sia interno che esterno e un controllo sia locale che remoto (utilizzando una opportuna infrastruttura di comunicazione). Questa unità è in grado di eseguire scelte in autonomia, come la procedura di atterraggio in caso di un cambio di comando improvviso o una perdita nella comunicazione. In ultimo è presentata una applicazione per il controllo remoto dei velivoli, utilizzando i frameworks e i protocolli più popolari e completi per la produzione dell'interfaccia utente, la sicurezza e la gestione dei dati. Due diversi multi-cotteri sono stati utilizzati per testare la portabilità del codice.