A novel 4 degrees of freedom quadcopter test bench

The objective of this thesis is to design, simulate and experimentally test a 450 mm quadcopter test bench with 4 degrees of freedom (pitch, roll, yaw and altitude). The proposed quadcopter will be used as a didactic workbench in the mechatronics laboratory of Politecnico di Milano, in order to substitute and improve the previously used 3 degrees of freedom bench. The purpose of this quadcopter bench is to improve the mechanical design of the system, to improve the electronic setup thanks to a newer and updated microcontroller and sensor setup and moreover, to add an additional degree of freedom (altitude) that can be used for experimental purposes. The main requirements expected from the proposed set up are: to avoid uncontrolled motions of the quadcopter which could damage itself and the surrounding environment, to speed up the testing and the control parameters tuning time, and to let the quadcopter move with minimum friction in order to emulate the real flight motion. Furthermore, it should be safe and easy to use even by inexperienced users. The dynamics of the system have been studied, and the quadcopter has been simulated and tested using common control algorithms such as PID, LQR and sliding-mode control, while altitude and attitude are estimated with common estimation algorithms such as complementary filter and Kalman filter. All the results are presented and deeply discussed in order to properly highlight the advantages and the disadvantages of the different solutions. Eventually, the limitations and the main differences between the proposed quadcopter bench and a real flying quadcopter are studied and discussed.

L’obiettivo di questa tesi è il dimensionamento, la simulazione e la prova sperimentale di un banco prova a 4 gradi di libertà (beccheggio, rollio, imbardata e altitudine) per quadrirotore con diagonale di 450 mm da usare come banco prova didattico nel laboratorio di meccatronica del Politecnico di Milano al fine di sostituire e migliorare il precedente banco prova a 3 gradi di libertà. Lo scopo di questo banco prova è migliorare la progettazione meccanica del sistema, migliorare il sistema elettronico con un nuovo e aggiornato microcontrollore e nuovi sensori e inoltre aggiungere un grado di libertà (altitudine) per scopi sperimentali. I principali requisiti attesi dalla soluzione proposta sono: evitare che un eventuale movimento del quadrirotore fuori controllo possa danneggiare sé stesso e ciò che lo circonda, velocizzare il tempo delle prove sperimentali e della messa a punto dei parametri di controllo, e permettere al quadrirotore un movimento con minimo attrito così da emulare il reale movimento di volo. Inoltre, deve essere semplice e sicuro da usare anche per un utente inesperto. La dinamica del sistema è stata studiata e il sistema è stato simulato e testato sperimentalmente con comuni tecniche di controllo come PID, LQR e controllo sliding-mode, e l’altitudine e l’assetto sono stati stimati con algoritmi di stima come il filtro complementare e il filtro di Kalman. Tutti i risultati sono stati presentati e discussi al fine di sottolineare vantaggi e svantaggi delle diverse soluzioni. Infine, sono state discusse le limitazioni del sistema e le principali differenze rispetto al volo reale.