Multirotor UAVs for fugitive emissions detection : sizing, modelling and control system design

Nowadays, the Remotely Piloted Aircrafts (RPAs) are more and more popular thanks to the large number of application fields where they can be adopted. When referring to a drone, usually one refers to a category of RPAs with four, six, or eight motors. Especially, these aircrafts have become increasingly used in the field of aerial monitoring and inspection of dangerous areas. The work conducted within this thesis is focused on multirotor RPAs suited for monitoring industrial areas and detecting hazardous gases. These platforms apart from the commonly used sensors (barometer, IMU) need to include vision systems (to provide for the lack of global positioning signal in the target areas) and gas detection instruments. In particular the choice of gas detectors is related to the task and spectrum of gases to be monitored. Furthemore, due to the heavy weight and dimensions of these devices, hexacopters and octorotors result to be the most suitable platforms. Starting from these premises, the purpose of this thesis is to size, model and analyse the behaviour of an hexarotor and an octocopter flying robot (able to perform monitoring missions and to detect industrial gases) when a motor fault occurs and a Linear Virtual Actuator (LVA) is applied. Initially the requirements associated to the multirotor platform, the vision system and the gas detector are exposed. Then a size procedure is described and applied to a hexacopter (with "H" structure) and to an octorotor (with "X" structure). This allows to find the most reasonable choice of motors and propellers based on the requirements specified. The same motors and propellers adopted on the hexa-configuration are then applied to the octo-structure too. Once identified the parameters of the actuators and the moments of inertia terms, the multicopters models are presented. Moreover PID controllers are tuned based on an Hinf approach. Finally a reconfigurability tolerance analysis to actuators fault is applied together with the implementation of a LVA to both the multicopter models.

Al giorno d'oggi, gli aeromobili a pilotaggio remoto (APR) sono sempre più diffusi grazie ai numerosi campi d'applicazione dove possono essere impiegati. Quando ci si riferisce ad un drone, si fa riferimento ad una categoria di APR con quattro, sei oppure otto rotori. In particolar modo, questi velivoli sono diventati sempre più utilizzati nel campo del monitoraggio aereo ed ispezione di aree pericolose. Questo lavoro di tesi si concentra su piattaforme multirotore specializzate nel monitoraggio di aree industriali e rilevazione di gas pericolosi. A prescindere dai sensori comunemente utilizzati (barometro e unità di misura inerziali), tali velivoli implementano anche sistemi di visione (utilizzati per sopperire alla mancanza di segnale GPS nelle aree d'interesse) e sistemi d'individuazione di gas. In particolare, la scelta del rilevatore di gas è legata allo spettro dei gas da individuare. Inoltre, a causa dell'elevato peso e dimensione di tali dispositivi, le piattaforme tipicamente utilizzate dispongono di sei od otto rotori. A partire da queste premesse, lo scopo di questo lavoro di tesi è il dimensionamento, modellizzazione ed analisi delle prestazioni di due piattaforme, un esacottero ed un ottocottero (adatte al compimento di operazioni di monitoraggio e rilevazione di gas industriali) quando, dopo il guasto e la perdita di uno dei motori, il sistema è riconfigurato tramite la tecnica dell' attuatore lineare virtuale. Inizialmente, verranno esposti i requisiti associati al velivolo, al tipo di sistema di visione ed alla scelta del rilevatore di gas. Di conseguenza, verrà descritta una procedura di dimensionamento da applicare ad un esacottero con struttura ad "H" ed un ottocottero con struttura ad "X". Questa permetterà di identificare la coppia motori-eliche più adatta al caso in esame. Le caratteristiche e parametri dei motori verranno calcolate insieme alle quantità fisiche della macchina ed i modelli dei due multicotteri saranno presentati. Conseguentemente un sistema di controllo lineare (ottenuto tramite sintesi Hinf sarà calcolato ed implementato. Infine verrà eseguita un'analisi di riconfigurabilità seguita dall'implementazione di un sistema di riconfigurazione di tipo LVA su entrambi i modelli.