UAV robust attitude hybrid controller

Nowadays, unmanned aerial vehicles (UAVs) represent a continuously expanding research field thanks to their numerous applications. Not only for military and professional, but also for recreational purposes, UAVs are winning the worldwide market with a variety of projects and different control strategies, as well as avionics architectures and sensors onboard the drone. In particular, the interaction between measurement noise and attitude control strategies may lead to undesired behaviors of the drone whenever the attitude regulator is not correctly designed. The purpose of this thesis is to investigate the effect of the quaternions double coverage, that is there are exactly two unit quaternions representing each element in SO(3), hence the need to stabilize a disconnected, two-point set in order to stabilize the desired attitude. Measurement noise is the natural consequence of using sensors: when combined with a discontinuous attitude control law, that is a quaternion-based law relying on the sign of the quaternion error scalar component, measurement noise can destroy global attractivity of the controller. Hybrid control laws are proposed as solutions and implemented and simulated for various flight conditions. Eventually, the same control strategies are successfully tested and validated through the experimental activity in the Flying Arena for Rotorcraft Technologies (Fly-ART) arena of Aerospace Systems and Control Laboratory (ASCL) of Politecnico di Milano.

Oggigiorno, i velivoli a pilotaggio remoto sono oggetto di ricerca in continuo sviluppo grazie alle loro numerose applicazioni. Non solo militari e professionali, ma anche ricreativi, gli UAV stanno diventando sempre più diffusi sul mercato, dando vita ad una varietà che si riflette inevitabilmente su diverse strategie di controllo, nonché di avionica e sensori di bordo. In particolare, l'interazione tra misure con rumore e strategia di controllo di assetto può portare ad un comportamento indesiderato da parte del drone quando il controllore risulti essere non opportunamente progettato. Lo scopo di questa tesi è di investigare l'effetto secondo cui i quaternioni forniscono una doppia copertura del gruppo di rotazione SO(3), cioè lo stesso assetto è descritto da due quaternioni diversi, e a causa del quale, per stabilizzare un determinato assetto, è necessario stabilizzare un insieme disconnesso di due punti (quaternioni). Come anticipato, naturale conseguenza dell'utilizzo di sensori è il rumore di misura che, combinato con una legge di controllo di tipo discontinuo, perché basata sul segno della parte scalare del quaternione errore, può ledere l'efficacia del controllore e della proprietà di attrattività globale. Le leggi di controllo ibride vengono proposte come soluzione a tale problematica e sono implementate e simulate in diverse condizioni di volo. Infine, le stesse strategie di controllo sono state testate e validate con successo attraverso l'attività sperimentale condotta nell'arena FlyArt del Laboratorio di Controllo e Sistemi Aerospaziali (ASCL) del Politecnico di Milano.