Robust hybrid control design for trajectory tracking with application to UAVs

Nowadays, the field of unmanned aerial vehicles (UAVs) is receiving a lot of attention thanks to the numerous fields in which they can be applied in. The ability of autonomously following a given trajectory with accuracy and satisfactory performance is fundamental when considering some particular applications, such as the explorations of closed environments. For this reason, the problem of designing a robust controller for trajectory tracking tasks represents one of the most important and interesting research topic. The purpose of this thesis is the design of a robust controller for the problem of trajectory tracking for UAVs while considering the limitations of the actuators and the presence of a disturbance acceleration. Based on a hybrid controller developed in the literature for trajectory tracking in multi-dimensional double integrator systems, a modified control design, applicable to UAV, is presented in this work. The proposed controller blends a local controller, which is able to deliver the desired tracking performance in the vicinity of the trajectory, with a global controller, which is able to handle large errors. The switching between the two controllers is obtained by leveraging a logic state whose value is function of the tracking error. An updated version of the proposed controller is then introduced in order to improve the tracking performance in case of slowly varying disturbances, such as those associated with battery discharge effects. To this aim, the original design is modified by using a H-infinity tuned proportional-integral controller as a local control law and by adding a bias observer, which is needed to evaluate the transition between local and global mode in the new strategy. Both solutions were tested using numerical simulations and experimental tests, conducted at the Flying Arena for Rotorcraft Technologies (Fly-ART) arena of Aerospace Systems and Control Laboratory (ASCL) of Politecnico di Milano.

Oggigiorno, i velivoli a guida autonoma stanno ricevendo molta attenzione grazie alle numerose applicazioni in cui possono essere utilizzati. L'abilità di seguire in maniera autonoma una traiettoria assegnata riuscendo a garantire adeguate prestazioni e accuratezza è fondamentale quando si prende in considerazione alcune applicazioni particolari, quali l'esplorazione di ambienti chiusi. Per questo motivo, la progettazione di controllori robusti per il tracciamento di traiettorie stabilite rappresenta uno dei argomenti più studiati. Lo scopo di questo lavoro di tesi è la progettazione di un controllore robusto per il problema del tracciamento da parte di un drone di una traiettoria stabilita tenendo in considerazione le limitazioni presenti sugli attuatori e la presenza di un disturbo di accelerazione. In questo lavoro si è partiti da un controllore ibrido per il tracciamento di un traiettoria per un sistema a doppio integratore multidimensionale sviluppato nella letteratura, il quale è stato modificato per essere applicato ad un drone. La soluzione proposta unisce un controllore locale, il quale garantisce le prestazioni di tracciamento della traiettoria in un intorno di essa ad un controllore globale, il quale riesce a gestire la presenza di errori elevati. Il passaggio tra i due controllori è gestito tramite una variabile logica il cui valore è funzione dell'errore. Il controllore è stato poi modificato al fine di migliorare le prestazioni di tracciamento anche in presenza di disturbi che variano lentamente, come nel caso degli effetti dovuti alla scarica della batteria. A questo proposito il controllore originale è stato modificato introducendo un controllo proporzionale integrativo tarato tramite analisi H-infinity nel controllore locale e aggiungendo un osservatore del disturbo, il quale è richiesto al fine di valutare la transizione tra il modo locale e quello globale del nuovo controllore. Entrambe le soluzioni sono state testate sia tramite simulazioni numeriche che attraverso prove sperimentali condotte all'interno dell'arena FlyArt del Laboratorio di Controllo e Sistemi Aerospaziali (ASCL) del Politecnico di Milano.