Attitude stabilization of a tailless robotic hummingbird at hovering

Vibrations induced by the flapping motion of flapping wings micro aerial vehicles induce high noise components in the autopilot sensors of this type of aircraft. These components depend on the frequency of the flapping motion. This thesis investigates the noise affecting the sensors of a flapping wings micro aerial vehicle that has been developed at Brussel's Free University, named COLIBRI, and proposes a simple double-stage filtering approach in order to limit the impact of the flapping noise on the problem of attitude control of this aircraft at hovering. The proposed method relies on two of the most commonly used sensor-fusion-based attitude estimation filters used for unmanned aerial vehicles and on a linear regulator that has been adapted from a previous work carried out on an old prototype. A first step for checking the suitability of this method as a tool for controlling the attitude of the flapping robot at hovering has been performed by means of simulation, mimicking the real-time implementation of the attitude control loop and modelling the flapping noise which has been measured from the real system while flapping at the nominal flapping frequency. Additionally, a real test on a gimbal system (with two degrees of freedom) has been performed as well, showing that the approach proposed can achieve a stable hovering condition on this system. The attitude estimation filters and the attitude control loop have been simulated using MATLAB and implemented in real-time on the micro controller unit of the robot autopilot using the STM32CubeIDE software, based on the C programming language.

Le vibrazioni indotte dal flappeggio dei microveicoli aerei ad ali battenti inducono elevate componenti di rumore nei sensori dell'autopilota di questo tipo di velivoli. Tali componenti dipendono dalla frequenza del flappeggio. Questa tesi studia il rumore che colpisce i sensori di un microveicolo aereo ad ali battenti sviluppato presso la Libera Università di Bruxelles, denominato COLIBRI, e propone un semplice approccio di filtraggio a doppio stadio per limitare l'impatto del rumore di flappeggio sul problema del controllo dell'assetto di questo velivolo in fase di hovering. Il metodo proposto considera due dei filtri per la stima dell'assetto basati sulla fusione dei sensori più comunemente utilizzati nei veicoli aerei senza pilota e su un regolatore lineare che è stato adattato da un precedente lavoro svolto su un vecchio prototipo. Un primo passo per verificare l'idoneità di questo metodo come strumento per il controllo dell'assetto del velivolo in hovering è stato effettuato mediante una simulazione, imitando l'implementazione in tempo reale dell'anello di controllo dell'assetto e modellando il rumore di flappeggio che è stato misurato dal sistema reale durante il flappeggio alla frequenza nominale. Inoltre, è stato eseguito un test reale su un sistema cardanico (con due gradi di libertà), dimostrando che l'approccio proposto può raggiungere una condizione di hovering stabile su questo sistema. I filtri di stima dell'assetto e l'anello di controllo dell'assetto sono stati simulati con MATLAB e implementati in tempo reale sul microcontrollore dell'autopilota del robot utilizzando il software STM32CubeIDE, basato sul linguaggio di programmazione C.