Hardware-software architecture, code generation and control for multirotor UAVs

Nowadays, Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), commonly known as drones, are more and more popular thanks to the wide range of applications in which they can be employed. This category of aircraft finds out every day new application areas, from entertainment to professional purposes, to military missions. There are many projects aimed to the design of multirotors. In particular the contribution of this thesis consists in the enhancement of hardware and software features that can support the research and the development processes on UAV navigation and control systems in an academic environment. The starting point of this project was ANT-1, a drone designed and developed at the Aerospace System and Control Laboratory (ASCL) at Politecnico di Milano. Starting from a performance review of the ANT-1 hardware and software, which allowed to find out the components that can be significantly improved. The aim of this thesis is twofold: to create an educational drone that has the possibility to implement and support advanced control laws; to demonstrate such capability to test user-defined advanced control laws. Currently, the implementation of an attitude control law in the PX4 firmware is an expensive operation in terms of time: for this reason one of the main challenges was to develop an application that allows to import an attitude control law implemented in Simulink, into PX4 firmware. Once the code generation tool has been validated through a PID attitude control law, two advanced control laws have been validated in flight: the non linear geometric and the adaptive controllers.

Al giorno d'oggi gli Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), comunemente noti con il termine di droni, sono sempre più diffusi grazie alle notevoli applicazioni in cui possono essere impiegati. L'utilizzo di questa categoria di velivoli trova di giorno in giorno nuovi campi di applicazione, che spaziano dall'intrattenimento a scopi professionali, fino a missioni di tipo militare. Sono molti i progetti volti alla realizzazione di multirotori, in particolare il contributo di questa tesi è mirato al potenziamento di funzionalità hardware e software che ne possano supportare il processo di ricerca e sviluppo. Il punto di partenza di questo progetto è stato ANT-1, un drone progettato e sviluppato presso l'Aerospace System and Control Laboratory (ASCL) del Politecnico di Milano. Lo scopo della tesi è quello di, partendo da un'analisi delle prestazioni hardware di ANT-1, che ha permesso di valutare quali componenti abbiano margine di miglioramento più significativo, creare un drone didattico che abbia la possibilità di implementare e supportare leggi di controllo avanzato. Attualmente, l'implementazione di una legge di controllo di asseto nel firmware PX4, risulta essere un'operazione costosa in termini di tempo: per questo motivo una delle principali sfide è stata quella di sviluppare un'applicazione che permetta di importare in PX4 una legge di controllo implementata in Simulink. Una volta aver validato il tool di generazione di codice, tramite una legge di controllo di assetto PID, sono state validate in volo due leggi di controllo avanzato: il controllore di assetto geometrico nonlineare e il controllore adattativo.