Flatness-based trajectory generator for VTOL transition aircraft

The research and development of Vertical Take-Off and Landing (VTOL) transition Unmanned Aerial Vehicle (UAV) configurations is one of the latest target in the aeronautical field. Aircrafts which vertically take-off and land or hover at a desired altitude and which perform a "wingborne flight" can unify the advantages of the multirotor configuration and the fixed wing one, e.g. no need of a long runway and efficiency during a flight at high speed and with long duration. Aeronautical engineers have to deal with the trajectory generation and control in the development of UAV to enable a complete autonomous flight. An approach based on flatness, which is a property of some non-linear system, can simplify the problem since the existence of flat outputs gives the possibility to write all the states and control inputs using only algebraic relationships. The aim of the thesis is to build an off-line trajectory generation algorithm based on flatness theory for the position loop of a VTOL transition aircraft. Normally, the two flight phases of this kind of aircraft need different trajectory generators and controllers while the definition of the same flat outputs for both phases allow to generate physically feasible trajectories with one unified algorithm. Four flight plans are defined to verify whether the implemented flatness-based trajectory generator fulfill all the requirements. Finally, the control problem, which is analyzed only considering the wingborne phase, is introduced in order to demonstrate the advantages that the built trajectory generator brings to the control scheme in terms of feedforward.

La ricerca e lo sviluppo di velivoli a pilotaggio remoto con configurazione a decollo e atterraggio verticale e transizione è uno degli ultimi obiettivi nel campo aeronautico. Velivoli che decollano e atterrano verticalmente o volano a punto fisso ad una quota desiderata e che completano un volo ad alta velocità possono unificare i vantaggi della configurazione multirotore e di quella ad ala fissa, per esempio l’eliminazione della necessità di piste di decollo e atterraggio lunghe e l’efficienza durante un volo ad alta velocità e lunga durata. Gli ingegneri aeronautici devono occuparsi della generazione e del controllo della traiettoria nello sviluppo di un velivolo a pilotaggio remoto al fine di permettere un volo completamente autonomo. Un approccio basato sulla flatness, che è una proprietà di alcuni sistemi non lineari, può semplificare il problema dal momento che l’esistenza dei flat outputs fornisce la possibilità di scrivere tutti gli stati e gli input di controllo usando soltanto relazioni algebriche. Lo scopo di questa tesi è di costruire un algoritmo di generazione di traiettoria off-line basato sulla flatness per l’anello di posizione di un velivolo a decollo e atterraggio verticale con transizione. Normalmente, le due fasi di volo di questo tipo di velivolo necessitano di generatori e controllori di traiettoria diversi mentre la definizione dei medesimi flat outputs per entrambe le fasi di volo permette di generare delle traiettorie fisicamente fattibili con un unico algoritmo. Vengono definiti quattro piani di volo al fine di verificare se il generatore di traiettoria basato sulla flatness soddisfa tutti i requisiti prestabiliti. Infine, il problema del controllo, che è analizzato considerando solo la fase di volo ad alta velocità, viene introdotto per dimostrare i vantaggi che il generatore di traiettoria, implementato in questa tesi, fornisce all’intero schema di controllo, in particolare in termini di controllo in anello aperto.