Air-to-air automatic landing for multirotor UAVs

Nowadays, the Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are continuing to enlarge their market share and research activities about them are growing exponentially. In particular, the interaction between two or more vehicles during flight, e.g. formation flight and refueling, are getting more and more attention. Dealing with intelligence, surveillance, and reconnaissance missions the problem of air-to-air refueling can arise when undertaking long range flights. In the military field, the Air-to-Air Automatic Refuelling (AAAR) involving fixed-wing drones is object of large studies and research activities. Also small/medium UAVs suffer from low autonomy problems, since the overwhelming majority of them has an electric propulsion system. Another possibility to extend the range of UAVs missions could be to have a carrier drone, reasonably a fixed-wing one, with several lightweight multirotors aboard, which can take-off from and land on it. The work conducted within this thesis is focused on the implementation of a guidance law to obtain automatic air-to-air landing of a small quadcopter on a bigger hexacopter, both developed at Aerospace Systems and Control Laboratory (ASCL) in Politecnico di Milano. The purpose of the thesis is, first of all, to analyze and to simulate the guidance law in order to investigate its feasibility, then the algorithm is implemented and experimentally validated. Initially, a simulator has been realized, with a quadrotor model created using an object-oriented multi-body software. This includes both nonlinear dynamics and aerodynamics. Afterward, a number of possible algorithms for the landing trajectory generation have been studied. The feasible ones have been implemented and simulated with the previously built simulator, extended to two UAVs. Eventually, the guidance laws are validated through an experimental activity.

Oggigiorno, i velivoli a pilotaggio remoto (UAV) continuano ad ampliare la loro quota di mercato e le attività di ricerca su di loro stanno crescendo esponenzialmente. In particolare, l'interazione tra due o più veicoli durante il volo, e.g. volo di formazione e rifornimento, sta ottenendo sempre più attenzione. Occupandosi delle missioni di intelligence, sorveglianza e ricognizione, il problema del rifornimento di carburante in volo può sorgere quando si intraprendono voli a lungo raggio. In campo militare, il rifornimento automatico in volo (AAAR) che coinvolge droni ad ala fissa è oggetto di ampi studi e attività di ricerca. Anche gli UAV di piccole e medie dimensioni soffrono di problemi di bassa autonomia, poiché la stragrande maggioranza di loro ha un sistema di propulsione elettrica. Un' altra possibilità di estendere l'autonomia di questa classe di UAV potrebbe essere quella di avere un drone ``cargo'', ragionevolmente uno ad ala fissa, con diversi multirotori leggeri a bordo, che possono decollare da e atterrare su di esso. Il lavoro condotto all'interno di questa tesi è incentrato sull'implementazione di una legge di guida per ottenere l'atterraggio automatico in volo di un piccolo quadricottero su un esacottero di dimensioni maggiori, entrambi sviluppati presso l' Aerospace Systems and Control Laboratory (ASCL) del Politecnico di Milano. Lo scopo della tesi è, prima di tutto, di analizzare e simulare la legge di guida per indagarne la fattibilità e, in seguito, di implementarla e validarla sperimentalmente. Inizialmente è stato realizzato un simulatore con il modello di un quadricottero, creato utilizzando un software di modellazione multi-corpo orientato agli oggetti. Quest'ultimo include sia la dinamica non lineare che l'aerodinamica del quadrirotore. Successivamente, sono stati studiati una serie di possibili algoritmi per la generazione della traiettoria di atterraggio. Quelli fattibili sono stati implementati e simulati con il simulatore precedentemente sviluppato, esteso a due multirotori. Alla fine, le leggi di guida sono state validate attraverso un' attività sperimentale.