systematic tuning of hierarchical attitude controllers with application to uavs

Attitude control is a fundamental challenge in the field of aerospace engineering and robotics. It involves the ability to accurately and precisely manipulate the orientation of a UAV quadrotor, spacecraft, satellite, or any other rigid body in three-dimensional space. This thesis focuses on the development and synthesis of nonlinear attitude controllers for rigid bodies and for the quadrotor Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), using hierarchical control strategy. In the first part of the thesisa quick overview on the stateof- the-art regarding nonlinear attitude control is presented, then, the dynamics of a rigid body and multirotors are described with a focus, in this last, on how the attitude dynamic can affects the position dynamic. The second part of the thesis presents the design process for the attitude controllore, specifically a hierarchical control approach based on a coordinate-free formulation that makes of use of rotation matrices to describe the attitude is considered and illustrated in detail. The proposed control architecture includes a feedforward term, which is computed using a geometric command filtering approach that avoids analytical computations and improves tracking performance. The third part of the thesis presents a general of systematic tuning approach for the gains of the linearized hierarchical control architecture, using the mixed-sensitivity H∞ synthesis. The fourth part of the thesis proposes the use of a geodesic attitude control law as a solution to mitigate the effects of the saturation of the propellers. The benefits of the proposed attitude control design are evaluated first in a numerical example for an ideal rigid body and, then, in a simulator of the with the quadrotor dynamic model of a quadrotor UAV implemented in MATLAB/Simulink. Finally, flight test experiments are carried out in the Flying Arena for Rotorcraft Technologies (FlyART) of the Aerospace Systems and Control Laboratory (ASCL) of Politecnico di Milano to the performance of the geodesic controller with the one obtained with a popular nonlinear control for multirotors in real case scenarios.

Il controllo dell’assetto è una sfida fondamentale nel campo dell’ingegneria aerospaziale e della robotica. Coinvolge la capacità di manipolare con precision l’orientamento di un quadrirotore UAV, di un’astronave, di un satellite o di qualsiasi altro corpo rigido nello spazio tridimensionale. Questa tesi si concentra sullo sviluppo e sulla sintesi di controllori non lineari di assetto per corpi rigidi e per i quadrirotori UAV, utilizzando una strategia di controllo gerarchico. Nella prima parte della tesi viene presentata una panoramica veloce dello stato dell’arte riguardo al controllo non lineare dell’assetto, successivamente vengono descritte le dinamiche di un corpo rigido e dei multirotori ,con un focus di quest’ultimo su come la dinamica dell’assetto possa influenzare la dinamica della posizione. La seconda parte della tesi presenta il processo di progettazione per il controllo dell’assetto, in particolare viene considerato e illustrato dettagliatamente un approccio di controllo gerarchico basato su una formulazione senza coordinate che fa uso di matrici di rotazione per descrivere l’assetto. L’architettura di controllo proposta include un termine di feedforward, che viene calcolato utilizzando un approccio di filtraggio dei comandi geometrici che evita calcoli analitici e migliora le prestazioni di tracking. La terza parte della tesi presenta un approccio generale di sintesi sistematica per i guadagni dell’architettura di controllo gerarchico linearizzato, utilizzando la sintesi H∞ di sensibilità mista. La quarta parte della tesi propone l’utilizzo di una legge di controllo dell’assetto geodetica come soluzione per mitigare gli effetti della saturazione delle eliche. I vantaggi del design di controllo dell’assetto proposto vengono valutati prima in un esempio numerico per un corpo rigido ideale e successivamente in un simulatore del modello dinamico del quadricottero UAV implementato in MATLAB/Simulink. Infine, vengono effettuati esperimenti di test in volo nell’Arena di Volo per Tecnologie Rotorcraft (FlyART) del Laboratorio di Sistemi Aerospaziali e Controllo (ASCL) del Politecnico di Milano per valutare le prestazioni del controllore geodetico rispetto a quello ottenuto con un popolare controllo non lineare per i multirotori in scenari reali.