Nonlinear modeling and control of coaxial rotor UAVs with application to the Mars helicopter

The Red Planet has been on top in the priority list of interplanetary exploration of the solar system. The Mars exploration landers and rovers have laid the foundation of our understanding of the planet atmosphere and terrain. Although the rovers have been a great help, they also have limitations in terms of their speed and exploration capabilities from the ground. Robotic planetary aerial vehicles increase the range of terrain that can be examined, compared to traditional landers and rovers, and have more near-surface capability than orbiters. Aerial mobility is a promising possibility for planetary exploration as it reduces the challenges that difficult obstacles pose to ground vehicles. The Ingenuity Mars helicopter has been designed by NASA's Jet Propulsion Laboratory to test the technical demonstration of aerial flight in the thin atmosphere of Mars. The first purpose of this thesis is to replicate Mars helicopter dynamics, building a simplified mathematical model suitable for control design based on available literature about Ingenuity and existing approaches for the modeling of small terrestrial coaxial helicopters. The second aim of this project is to develop a nonlinear control law to improve the operative range of this kind of UAVs with respect to existing control designs, which are mostly based on linear control approaches. The thesis starts with a brief introduction to the challenges encountered by the development of a Mars helicopter and then proceeds with an overview of the design of Ingenuity aiming to investigate its main components and to highlight its working principles. In the second chapter, the procedure developed to obtain a sufficiently accurate nonlinear model of the Mars helicopter, which mixes first-principle modeling and identification experiments, is discussed. In the third chapter, the control system is developed starting with the presentation of the baseline control architecture implemented in Ingenuity and following with the development of the proposed nonlinear controller. The results of numerical simulations are shown in the last chapter underling the benefits derived from the implementation of a nonlinear control system when the helicopter operates far from its hovering point.

Marte è da sempre in cima alla lista di priorità per l’esplorazione interplanetaria del nostro sistema solare. I lander e i rover per l’esplorazione di Marte hanno gettato le basi per la nostra comprensione dell’atmosfera e della superficie del pianeta. Sebbene i rover siano stati di grande aiuto, essi hanno limitazioni in termini di velocità e di capacità esplorativa. L’introduzione di veivoli per l'esplorazione marziana aumenterebbe la portata del terreno che può essere esaminata rispetto ai tradizionali rover, dando allo stesso tempo la possibilità di osservare più da vicino, e di conseguenza più nel dettaglio, la superficie di un pianeta rispetto a un satellite orbitale. Lo sviluppo di droni capaci di volare al di fuori dell’atmosfera terrestre rappresenterebbe perciò una possibilità promettente per migliorare l’esplorazione planetaria e permetterebbe di ridurre le sfide correlate alla presenza di ostacoli del terreno. L’elicottero Ingenuity è stato progettato dal Jet Propulsion Laboratory della NASA per testare il volo aereo nella sottile atmosfera di Marte. Il primo scopo di questa tesi è quello di replicare la dinamica dell’elicottero marziano, costruendo un modello matematico semplificato adatto al design di controllo basato sulla letteratura disponibile su Ingenuity e sugli approcci esistenti per la modellazione di piccoli elicotteri terrestri a rotori coassiali. Il secondo obiettivo di questo progetto è sviluppare una legge di controllo non lineare per migliorare il range operativo di questo tipo di UAV rispetto a design di controllo già esistenti, i quali per la maggior parte sono basati su approcci di controllo lineare. La tesi inizia con una breve introduzione sulle sfide incontrate nello sviluppo di un elicottero marziano e con una descrizione generale del design di Ingenuity con l’obiettivo di identificarne i componenti principali e di evidenziarne i principi di funzionamento. Nel secondo capitolo, è discussa la procedura sviluppata per ottenere un modello non lineare sufficientemente accurato dell’ elicottero marziano, basandosi su una modellazione di primo principio e su esperimenti identificativi. Nel terzo capitolo, il sistema di controllo viene sviluppato a partire dall’ architettura di controllo implementata da Ingenuity e a seguire dallo sviluppo del controllore non lineare proposto. I risultati delle simulazioni numeriche effettuate sono mostrate nell’ultimo capitolo sottolineando i benefici che derivano dall’implementazione di un sistema di controllo non lineare quando l’elicottero opera lontano dal suo punto di equilibrio.