Design, integration and control of multirotor UAV platforms

Nowadays, multirotor platforms for Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), such as quadrotors, are omnipresent in our daily life and in the near future could spread more and more. The research and development for these platforms will become increasingly challenging as covering various fields such as Automation and Control, Electronics, Computer Science and Aerospace Engineering. Multirotor platforms provide simple and reliable solutions to the problem of designing small scale UAVs for a wide range of civil applications such as, e.g., aerial photography and filming, agriculture, buildings and industrial plants monitoring, security and law enforcement and so on. In spite of the very large number of projects aimed to the design and development of multirotor platforms currently ongoing, it seems that no systematic approach to the problem has been proposed, in the sense of a consistent process flowing from mission requirements to actual platform implementation. This is quite surprising as the currently available components would enable a very rapid deployment of almost arbitrary configurations, following a dedicated conceptual and preliminary design and optimization stage. The main goal of this thesis is to present a systematic approach in order to realize a general UAV starting from the mission requirements. A deep analysis on the multirotor modelling, including non conventional platforms, on the mechanical and aerodynamic aspects results then mandatory in this thesis. Moreover, the dissertation covers the aspects of the attitude and position controller, describing both linear and nonlinear approaches. Finally an application involving two multirotor UAVs which could be adopted in the future for the range extension of the multirotors in critical operations (e.g., reconnaissance, patrolling, search and rescue, etc.) will be presented.

Oggigiorno, gli Aeromobili a Pilotaggio Remoto (APR) come i multirotori, in particolare i quadricotteri, sono onnipresenti nella nostra vita quotidiana e nel prossimo futuro potrebbero diffondersi sempre di più. La ricerca e sviluppo di tali piattaforme diventerà sempre più una sfida considerando il fatto che dovrà coprire molti settori così come l'automazione e il controllo, l'elettronica, l'informatica e l'ingegneria aeronautica. Le piattaforme multirotore rappresentano una soluzione semplice e affidabile per quanto riguarda l'utilizzo di piccoli APR in un ampio spettro di applicazioni in ambito civile, e.g., la fotografia aerea, le riprese aeree, l'agricoltura, il monitoraggio di edifici e di impianti industriali, la sicurezza e così via. Nonostante il grande numero di progetti volti alla progettazione e allo sviluppo di piattaforme multirotore, pare che non sia ancora stato proposto nessun approccio sistematico al problema, inteso come processo strutturato che porti dai requisiti di missione fino all'integrazione della piattaforma stessa. Ciò risulta molto sorprendente in quanto data la vastità dei componenti attualmente reperibili sul mercato risulta possibile lo sviluppo in breve tempo di quasi qualunque tipo di configurazione, seguendo dunque un dedicato flusso di processo sia concettuale che preliminare con la possibilità di ottimizzare la scelta stessa dei componenti. L'obiettivo principale di questa tesi è quello di presentare un approccio sistematico che permetta di realizzare un generico APR partendo dai requisiti di missione. Un'approfondita analisi sulla modellistica dei multirotore, sia convenzionali che non, includendo non solo la meccanica del problema ma anche l'aerodinamica risulta dunque obbligatoria. Inoltre, la tesi coprirà gli aspetti relativi al controllo sia di assetto che posizione descrivendo sia gli approcci lineari che quelli nonlineari. Infine, verrà presentata un'applicazione pratica che coinvolge l'uso di due piattaforme multirotore che in futuro potrebbe essere utilizzato per aumentare il raggio d'azione dei multirotore, che risulta dunque critica in applicazioni come il pattugliamento o la ricerca e il salvataggio.