Anti-windup design for position and attitude control of quadrotor UAVs

Nowadays feedback control plays an important role in a great variety of applications such as robotics, automotive, aeronautics, space, chemical and industrial processes, etc. Its main purpose is to ensure satisfactory performance levels in the whole set of operating conditions the system is supposed to work in. Unfortunately, when dealing with control input saturation, a worsening of the closed-loop properties is experienced. This thesis focuses on the development of appropriate control laws to reduce this saturation-induced malfunctioning for quadrotor unmanned aerial vehicles (UAVs) in presence of either saturating propellers or attitude constraints. Following the anti-windup compensation approach, in which the compensator acts on top of a baseline controller, a linear matrix inequality (LMI) based synthesis technique for discrete-time linear systems is developed to guarantee prescribed levels of stability and performance in presence of limited control authority. This synthesis method is then used to modify well consolidated quadrotor flight control laws, by tuning fixed-dynamics anti-windup compensators to improve either position or attitude tracking performance. The benefits of the augmentation are evaluated with flight test experiments made in the Flying Arena for Rotorcraft Technologies (FlyART) of Aerospace Systems and Control Laboratory (ASCL) of Politecnico di Milano by comparing the performance of baseline and augmented controllers in real case scenarios.

Il controllo in retroazione assume un ruolo molto importante in svariate applicazioni di tipo aeronautico, automobilistico, spaziale, robotico, chimico, industriale, etc. Il suo principale scopo consiste nel garantire adeguate prestazioni in varie condizioni operative nelle quali il sistema in studio si trova ad operare. Purtroppo la presenza di saturazioni delle variabili di controllo comporta un peggioramento delle proprietà del sistema in anello chiuso. Questa tesi ha lo scopo di sviluppare opportune leggi di compensazione al fine di ridurre il malfunzionamento indotto dalle saturazioni in aeromobili a pilotaggio remoto soggetti sia a limitazioni fisiche del sistema propulsivo e a vincoli di assetto. Seguendo l'approccio di compensazione anti-windup, secondo il quale si migliora la legge di controllo esistente tramite l'aggiunta di un compensatore, è stato sviluppato un metodo di sintesi per sistemi lineari a tempo discreto basato su disuguaglianze lineari matriciali con lo scopo principale di garantire determinate prestazioni in presenza di limitazioni negli ingressi del sistema. Il metodo di sintesi è stato poi utilizzato per modificare il controllore di un quadricottero; in particolare è stato progettato un compensatore a dinamica fissata per migliorare le risposte in anello chiuso d'assetto e posizione. Paragonando le prestazioni ottenute con legge di controllo originale e con compensatore, le prove di volo, svolte nella Flying Arena for Rotorcraft Technologies (FlyART) del Politecnico di Milano, hanno permesso di confermare l'efficacia delle modifiche.