A flight mode management and setpoint generation system for UAV flight control

The evolution of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), commonly known as drones, in the last years has led to a real revolution in several areas, from surveillance to military use, from photography to entertainment. The application fields in which they can be employed are always expanding. A research area of interest involves the flight control and in particular the flight modes that UAVs can perform. As a consequence of the numerous existing modes, it is necessary to manage the transitions between the different flight modes and to facilitate the integration of new ones. The purpose of the thesis is twofold: to design and implement a multi-mode setpoint generation system for UAV flight control based on the PX4 flight stack, managing the flight modes and generating the setpoint based on the current flight mode enabled; to modify the custom flight controller to allow the management of the main flight modes: manual, altitude and position. This custom flight controller has been developed at the Aerospace System and Control Laboratory (ASCL) at Politecnico of Milan for education and research activities. In order to achieve the first goal, a setpoint mapper system is designed and implemented in Simulink. From the Simulink model, automatic code generation is then exploited to integrate the system into a custom module in the PX4 firmware. To fulfill the second goal, the flight controller interface is modified in order to run the proper control law requested by the autopilot.

L'evoluzione degli Unmanned Aerial Vehicles (UAV), comunemente noti come droni, negli ultimi anni ha portato ad una vera e propria rivoluzione in diversi settori, dalla sorveglianza agli usi militari, dalla fotografia all'intrattenimento. I campi in cui possono essere impiegati sono in continua espansione. Un'area di ricerca di interesse riguarda il controllo di volo ed in particolare le differenti modalità che gli UAV possono eseguire. Come conseguenza alle numerose modalità esistenti, è nata la necessità di gestire le transizioni tra le modalità di volo e facilitarne l'integrazione di nuove. Lo scopo della tesi è duplice: progettare e implementare un sistema per la generazione di setpoint sulla base della modalità di volo abilitata; modificare il controllore di volo per consentire la gestione delle principali modalità di volo: manuale, quota e posizione. Questo controllore è stato sviluppato presso l'Aerospace System and Control Laboratory (ASCL) del Politecnico di Milano per attività didattiche e di ricerca. Al fine di raggiungere il primo obiettivo, è stato progettato e implementato un sistema di mappatura dei setpoint in Simulink. Dal modello Simulink, è stata poi sfruttata la generazione automatica di codice per integrare il sistema nel firmware PX4. Per raggiungere il secondo obiettivo, sono state apportate modifiche all'interfaccia del controllore di volo al fine di poter eseguire la legge di controllo richiesta dall'autopilota.