Identification and simensioning of STEM - Systems of Tethered Multicopters

The use of drones or Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) in commercial applications is grown rapidly in recent years. It's not more unusual, given their advantages, to consider coordinated systems of drones to achieve definite common tasks. Before a real task is executed, a prediction of its feasibility is extremely important to ensure reliability and contain economic risks, especially when complex models are involved. This MSc thesis addresses the analysis and simulation of a possible real application for a class of tethered unmanned aerial vehicles, suited to achieve long time tasks. The characterization of the system of flying tethered drones is performed, starting from the model identification of the drones' actuator till the modelling and analysis of the main involved components as the tethers, winches and tethered UAVs. The accomplishment of a possible application for the entire system is strictly connected to the behaviour of these single components, which make it necessary to define a logic to choose the best ones. The contribution provided by this thesis is thus related to the development of a strategy, aimed at the dimensioning of the elements composing a system of tethered multicopters, in order to carry out a given task with minimum system cost. The dimensioning entails the simulation of the desired task, for which approaches exploiting numerical optimization methods are proposed.

L'impiego di droni o Aereomobili senza pilota (UAV) in applicazioni commerciali è cresciuto rapidamente negli ultimi anni. Non è più insolito, visti i relativi vantaggi, considerare coordinati sistemi di droni per compiere task comuni. Prima che un'applicazione reale sia eseguita, è estremamente importante avere una predizione sulla sua fattibilità per assicurare affidabilità e contenere rischi economici, soprattutto quando sono coinvolti modelli complessi. Questa tesi affronta l'analisi e la simulazione di una possibile applicazione reale per una classe di droni legati da cavi, adatta a compiere task estesi nel tempo. La caratterizzazione del sistema di droni volanti legati da cavi è realizzata a partire dall'identificazione del modello dell'attuatore per i droni, fino alla modellistica e analisi delle principali componenti coinvolte come i cavi, i verricelli e i singoli droni . Il successo di una possibile applicazione per l'intero sistema è strettamente legato al comportamento delle singole componenti, che rendono necessaria la definizione di una logica per sceglierle al meglio. Il contribuito dato da questa tesi è quindi relativo allo sviluppo di una strategia, finalizzata al dimensionamento degli elementi che compongono il sistema di multicotteri legati da cavo, che permette di raggiungere obiettivi di natura economica. Il dimensionamento è coordinato con la simulazione dell'esecuzione del task, per il quale sono proposti approcci che utilizzano metodi di ottimizzazione numerica.