UAV autonomous landing on moving aerial vehicle

Nowadays, the unmanned aerial vehicles (UAVs) represent a research fi eld that is continuously increasing and expanding. In particular, the interaction between more aircraft during flight is getting more attention; especially for what concerns formation flight and air-to-air refuelling. When surveillance, reconnaissance and search-and-rescue missions, both in the military and the civil fi elds, are considered, small-scale UAVs suffer of low autonomy problems. For this reason, to extend mission endurance a drone can be used as carrier for lighter and smaller drones (followers) that can take-off from and land on it. In real applications to guarantee enough endurance during missions the carrier might be powered by hybrid or conventional propulsion and not by pure electric propulsive system. To increase the efficiency the carrier could also be a fixed-wing or a tiltrotor UAV; in the latter case the more efficient aeroplane mode could be employed for loiter while the rotorcraft mode could be used to simplify the landing operation. The purpose of this thesis is to investigate the problem of automatic landing of a small UAV on a multi rotor carrier drone in indoor environment, considering two different conditions: the first one with carrier moving along a circular trajectory with constant speed, simulating a loiter condition, the second one with carrier oscillating vertically. Guidance laws for autonomous landing with carrier moving in horizontal plane and oscillating in vertical direction are implemented and simulated. Eventually, the guidance laws are successfully tested and validated through experimental activity in Flying Arena for Rotorcraft Technologies (FlyART) of Aerospace Systems and Control Laboratory (ASCL) of Politecnico di Milano.

Oggigiorno, i velivoli a pilotaggio remoto rappresentano un campo di ricerca in continua crescita e espansione. In particolare, l'interazione tra più velivoli durante il volo sta ricevendo sempre maggiore attenzione, specialmente per quanto riguarda il volo in formazione e il rifornimento aria-aria. Considerando le missioni di sorveglianza, ricognizione e ricerca e salvataggio, sia nel campo militare che in quello civile, gli UAV di piccole dimensioni soffrono di problemi di bassa autonomia oraria. Per questa ragione, per estendere l'autonomia oraria un drone può essere usato come "cargo" per droni più piccoli e più leggeri ("inseguitori") che possono decollare e atterrare su di esso. In applicazioni reali, per garantire abbastanza autonomia durante le missioni, il drone cargo potrebbe essere alimentato tramite propulsione ibrida o convenzionale e non da un sistema propulsivo puramente elettrico. Per aumentare l'efficienza il cargo potrebbe anche essere un UAV ad ala fi ssa o un convertiplano; in quest'ultimo caso la modalità aeroplano, più efficiente, potrebbe essere utilizzata per la fase di loiter mentre la modalità elicottero potrebbe essere utilizzata per sempli ficare l'operazione di atterraggio. Lo scopo di questa tesi è di investigare il problema dell'atterraggio automatico di un piccolo UAV su un drone cargo multirotore in ambiente chiuso, considerando due diverse condizioni: la prima con il cargo in movimento a velocità costante lungo una traiettoria circolare, simulando la condizione di loiter, la seconda con il cargo che oscilla verticalmente. Le leggi di guida sono implementate e simulate per l'atterraggio autonomo con il drone cargo in movimento nel piano orizzontale, nel primo caso, e oscillante in direzione verticale nel secondo. In fine, le leggi di guida sono state testate e validate con successo attraverso l'attività sperimentale condotta nell'arena FlyART del laboratorio di controllo e sistemi aerospaziali (ASCL) del Politecnico di Milano.