Nonlinear attitude and position control for a quadrotor UAV

Nowadays, quadrotor UAV platforms have began to spread around and starts to catch the attention of the industry for their applications in various tasks like the monitoring of impervious or dangerous areas and the transportations of payloads. All these missions can require the UAV to cope with external disturbances from the environment, the wind for example, or to sustain aggressive manoeuvrers with large variations of attitude angles. The linear control applied to quadrotor platforms has been deeply explored and many successful applications have been developed in the recent years. This kind of control based on standard and well known techniques provides drones that can work fine in a certain range of angles around the hovering condition but it obtains poor performances in the case of aggressive flight. The purpose of this thesis is the development of a nonlinear control architecture for the quadrotor UAV platform of the FLYART laboratory. During the development of this work many control strategies have been developed and analysed in order to obtain a controlled system able to cope with difficult working conditions. The tuning of these control laws has been handled applying the H-infinity tuning technique to the developed control system. The starting point is the backstepping method, analysed at the beginning of the third chapter after a brief introduction to the quadcopters in the first chapter and the presentation of the quadrotor model in the second one. Then the integral backstepping technique has been implemented in two different ways in order to gain robustness for the system and compensate possible disturbances and uncertainties of the real system. After these control laws, it has been tackled the problem of singularities carried by the attitude angle parametrization with the proposal of a geometric control architecture that allows to avoid this inconvenient. All the control laws are mathematically developed in this thesis work and the resulting simulations are shown in the last chapter.

Al giorno d'oggi i quadricotteri UAV hanno iniziato a diffondersi e ad attirare anche l'attenzione delle industrie, principalmente per quanto riguarda la loro applicazione in alcuni contesti specifici quali il monitoraggio di aree impervie o pericolose oppure per il trasporto di carichi. Questo genere di missioni possono richiedere che l'UAV riesca a gestire disturbi provenienti dall'ambiente in cui opera, primo fra tutti il vento, e offra la capacità di manovre complesse che prevedano anche ampi angoli di inclinazione. Il controllo lineare applicato a questo tipo di piattaforme è stato studiato in modo approfondito negli ultimi anni con lo sviluppo di molte applicazioni che hanno dato risultati più che soddisfacenti. Questo tipo di controlli basati su tecniche standard e ben note nell'ambito della teoria del controllo soffrono però di pesanti limitazioni in caso di volo lontano dalla condizione di hovering, che causano un veloce degrado delle performance. Questa tesi si pone l'obiettivo di sviluppare dunque un'architettura di controllo non lineare per il quadricottero UAV del laboratorio FLYART. Durante lo sviluppo di questo lavoro sono state sviluppate e analizzate varie strategie di controllo in modo da ottenere un sistema in grado di affrontare condizioni di operatività non ottimali. Parallelamente alla formulazione di queste leggi di controllo è stata studiata l'applicazione della metodologia di tuning basata sulla minimizzazione della norma H-infinito per la scelta dei parametri del controllore. Lo sviluppo di queste architetture si basa sul metodo di controllo backstepping, introdotto nel terzo capitolo dopo una breve introduzione ai quadricotteri nel primo capitolo e la presentazione del modello matematico utilizzato. Successivamente è stata implementata un'architettura di tipo integral backstepping in due differenti configurazioni in modo da migliorare la robustezza del controllo e rendere possibile la compensazione di disturbi costanti presenti nel sistema reale. Dopo queste leggi i controllo è stato affrontato il problema di come gestire le singolarità intrinseche della parametrizzazione dell'assetto con angoli di Eulero e come soluzione è stata implementata una legge di controllo geometrica. Nel seguente lavoro di tesi sono stati quindi mostrati gli sviluppi matematici dei controlli e i risultati ottenuti in simulazione vengono presentati nell'ultimo capitolo.