Dynamic Simulation, Flight Control, and Guidance Synthesis for Fixed-Wing UAV Swarms

Autonomous unmanned flight based on fixed-wing aircraft offers a practical and cost-effective solution for transportation missions to remote or underserved areas, particularly when payload capacity and range are critical factors. In such contexts, the use of UAV swarms presents an attractive approach to leverage payload capabilities. Additionally, within the military domain, deploying swarms of smaller aircraft could enhance logistic modularity, reducing the risk of losing the entire mission's cargo or weaponry when traversing hostile territories. This thesis comprehensively addresses various aspects of fixed-wing UAV swarm flight, encompassing 6-degree-of-freedom flight dynamics modeling, aircraft stabilization through Linear Quadratic Regulator approach, path tracking for autonomous guidance, intra-swarm formation control, overall performance evaluation, and disturbance management. One of the notable features of this research is the implementation of several guidance algorithms designed to serve different purposes of a typical reconnaissance mission. These algorithms are tailored to ensure effective navigation, target identification, and data collection, enhancing the swarm's capability to perform complex reconnaissance tasks. Concerning swarm management, the research is grounded in predefined hierarchical structures based on the leader-follower paradigm, and simulates swarm dynamics, accounting for the complete nonlinear motion of each involved UAV. A distributed coordination law is chosen and synthesized based on different available strategies for information conveyance, such as relative position/velocity versus absolute position/velocity, among others. The swarm assembly commences with a simple two-element formation and gradually scales up in complexity by incorporating additional elements in a comprehensive complete reconnaissance mission simulation. The methodologies and case studies presented in this work exemplify the design and coordination of a UAV swarm, facilitated by robust control techniques, and rigorously demonstrated within a comprehensive nonlinear simulation environment. Examples based on the actual aerodynamic and inertial characteristics of an existing military UAV are presented, shedding light on both the potential benefits and challenges associated with its integration into a swarm.

Il volo autonomo senza pilota basato su velivoli ad ala fissa offre una soluzione pratica ed economica per missioni di trasporto in destinazioni remote o sotto servite, in partico- lare quando la capacità di carico e l’autonomia risultano essere fattori critici. In contesti simili, l’impiego di sciami di UAV rappresenta un approccio interessante per aumentare la capacità di carico. Inoltre, nel contesto militare, il dispiegamento di sciami di velivoli di ridotte dimensioni potrebbe migliorare la modularità logistica, riducendo il rischio di perdere l’intero carico di missione o armamenti durante l’attraversamento di territori ostili. Questa tesi affronta in modo completo vari aspetti del volo di uno sciame di UAVs ad ala fissa, tra cui la modellazione della dinamica di volo a 6 gradi di libertà, la stabilizzazione dei velivoli mediante l’approccio LQR, il tracciamento di percorsi predefiniti per la guida autonoma, il coordinamento della formazione , la valutazione delle prestazioni complessive e la gestione delle perturbazioni. Una delle caratteristiche più rilevanti di questa ricerca è l’implementazione di diversi algoritmi di guida progettati per servire scopi diversi di una tipica missione di ricognizione. Questi algoritmi sono progettati in modo da garantire una navigazione efficace, l’identificazione dei bersagli e la raccolta di dati, migliorando così la capacità dello sciame nell’eseguire compiti complessi di ricognizione. Per quanto riguarda la gestione dello sciame, la ricerca si basa su strutture gerarchiche predefinite basate sul paradigma del leader-gregario e simula la dinamica dello sciame, tenendo conto del moto non lineare di ciascun UAV coinvolto. Una legge di coordinamento distribuita viene scelta e sintetizzata in base a diverse strate- gie disponibili per la trasmissione delle informazioni, come posizione/velocità relative rispetto a posizione/velocità assolute, tra le altre. L’assemblaggio dello sciame inizia con una formazione di due elementi, scalando gradualmente in complessità andando a incor- porare ulteriori elementi in una simulazione completa di una missione di ricognizione. Le metodologie e i casi studio presentati in questo lavoro illustrano la progettazione e il coordinamento di uno sciame di UAV, facilitato da comprovate tecniche di controllo e dimostrato in modo rigoroso all’interno di un completo ambiente di simulazione non lineare. Gli esempi presentati, sono basati sulle reali caratteristiche aerodinamiche e inerziali di un UAV militare esistente, mettendo in luce sia i potenziali vantaggi che le sfide legate alla sua integrazione all'interno di uno sciame