Co-design optimization of a tethered multi drone system

This thesis addresses the optimization of the plant and control variables of a multi tethered-drone system. This is an innovative class of drones that don’t require batteries, since the power needed to fly is brought by a tether, linked to a power source. The control strategy for the reel-in and out of the tethers consists of a spring, commanding the winch to reel-out when too compressed and reel-in when too expanded. The innovative feature of this work is the consideration of the coupling between control and plant optimization problems. Combined techniques for both physical and control system design are called Co-Design. Some of these approaches are described, analysing their advantages and drawbacks. At first, a comparison between the traditional sequential approach and a simultaneous co-design optimization of an active suspension system is performed taking inspiration from a previous work in literature. A nested and a Model Predictive Control co-design strategies are then applied to the same system for the first time to complete the picture. The simultaneous co-design approach is shown to be the optimal one in such a test case, hence it is applied to optimize the physical and control system design of a single and double tethered-drone system. The obtained results with such a sophisticate system show how promising co-design techniques are.

Questa tesi si occupa dell’ottimizzazione di variabili di impianto e controllo di un sistema multi-drone collegati tramite cavo. Questa è una classe innovativa di droni che non necessita di batterie, poiché l’energia necessaria per il volo è portata da un cavo, collegato ad una fonte di energia. La strategia di controllo per lo svolgimento e riavvolgimento dei cavi consiste in una molla, la quale comanda il verricello di svolgere quando troppo compressa e riavvolgere quando espansa. La caratteristica innovativa di questo lavoro è la considerazione dell’accoppiamento tra i problemi di ottimizzazione di impianto e controllo. Tecniche combinate per entrambi i design fisico e di controllo sono chiamate Co-Design. Alcuni di questi approcci sono descritti, analizzandone i vantaggi e gli svantaggi. Inizialmente, un paragone tra il tradizionale approccio sequenziale e un ottimizzazione co-design simultanea di un sistema di una sospensione attiva è effettuato, prendendo spunto da precedenti lavori nella letteratura. Poi strategie co-design annidate e con Model Predictive Control sono applicate allo stesso sistema per la prima volta, per completare il quadro. L’approccio co-design simultaneo si dimostra il migliore in questo test, ed è quindi applicato per ottimizzare il design fisico e di controllo di un sistema con un singolo drone collegato tramite cavo e di un sistema con due droni collegati tramite cavo. I risultati ottenuti con un sistema così sofisticato mostrano quanto siano promettenti le tecniche di co-desing.