Data-driven attitude and position control design for micro aerial vehicles

The definition of flight control laws is one of the most demanding activities in the process of designing remote-controlled multirotor systems. Typically, the controller is synthesised by means of techniques that rely on a prior modelling of the real plant, which however frequently neglects some significant dynamic effects. To ensure robustness with respect to model uncertainties, a clear degradation of controlled system performance in favour of stability is necessary. Data-driven tuning methods, in contrast, do not require an accurate knowledge of the model, thus eliminating the problem of under-modelling and therefore representing an efficient alternative in the design of flight control laws. The purpose of this thesis is to extend the data-driven methods available in the literature to tune both the attitude and the position PID controllers of a small-scale quadrotor of the Micro Aerial Vehicles (MAVs) class. In particular, the data-driven methods discussed in the literature present some limitations that hinder their diffusion in the multirotor design framework and make them totally unsuitable for any potential application in the helicopter industry. As part of the present work, it has been shown that a data-driven method guaranteeing a-priori closed-loop stability can be effectively implemented, thereby making the subsequent experimental validation test virtually risk-free. In addition, by extending the Virtual Reference Feedback Tuning (VRFT) algorithm, it has been possible to apply it to closed-loop collected data. The resulting controller showed similar performance to that obtained with open-loop collected data, while ensuring a significant simplification of the tuning process. Finally, experimental tests have shown that data-driven methods can provide performance comparable to model-based methods such as the H-infinity, but requiring only one experimental test. These results pave the way for the potential adoption of the proposed tuning approaches in the helicopter industry.

La definizione delle leggi di controllo è una delle attività più onerose nel progetto di sistemi multirotore a pilotaggio remoto. La sintesi del controllore è tipicamente affidata a tecniche basate su una preventiva modellazione del sistema reale, la quale però spesso trascura importanti dinamiche. Dovendo garantire robustezza rispetto a tali incertezze di modello, si impone un decisivo degrado delle prestazioni del sistema controllato a favore della stabilità. Le tecniche di taratura data-driven, al contrario, non richiedono una conoscenza accurata del modello, eliminando dunque il problema delle dinamiche non modellate e rappresentando perciò una valida alternativa nella progettazione delle leggi di controllo. Lo scopo del presente lavoro di tesi è quello di estendere le tecniche data-driven presenti in letteratura, al fine di tarare i controllori PID di assetto e posizione di un quadrirotore appartenente alla categoria dei Micro Aerial Vehicles (MAVs). In particolare, i metodi data-driven discussi in letteratura presentano limitazioni che ne ostacolano la diffusione nel progetto di multirotori e li rendono totalmente inadatti a un’eventuale applicazione in ambito elicotteristico. Nell'ambito del lavoro svolto, è stato dimostrato come sia possibile realizzare un controllore mediante tecnica data-driven che garantisca, a priori, la stabilità del sistema controllato, rendendo virtualmente priva di rischi la prova sperimentale di validazione. Inoltre, mediante estensione dell’algoritmo VRFT (Virtual Reference Feedback Tuning), è stato possibile applicarlo, per la prima volta, a dati raccolti in anello chiuso. Il controllore così realizzato ha dimostrato prestazioni paragonabili alla controparte ottenuta con dati raccolti in anello aperto, con notevole semplificazione del processo di taratura. Infine, le prove sperimentali effettuate hanno dimostrato che, mediante metodi data-driven, è possibile ottenere prestazioni paragonabili a quelle proprie dei metodi model-based come l’H-infinito, richiedendo però una sola prova sperimentale. Tutto ciò apre di fatto la strada al potenziale impiego del metodo di taratura proposto in campo elicotteristico.