Trajectory tracking control design for eVTOL UAVs with input redundancy optimization

In recent years, Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have remarkably grown in the aeronautical landscape. They are commonly associated with small quad-rotors even if many other configurations exist; among those, Vertical Take-Off and Landing (VTOL) UAVs have earned increasing attention for their unique fusion of classic multirotor and fixed-wing capabilities. The VTOL configuration solves the shortcomings of multirotor regarding their endurance and range while maintaining hovering and vertical flight capabilities that lack fixed-wing machines. Given that, VTOL UAVs can fly in three different modes: as multirotor, as fixed-wing and in a hybrid manner when in transition between these two; most of the VTOL controllers have a dedicated control scheme for each flight mode. The objective of this thesis is the development of a unified full-flight regime controller for a VTOL aircraft, enabling seamless trajectory tracking at various airspeed. This can be considered a step further in achieving complete autonomous flight capability for such type of flying machines. The proposed controller is developed for the VTOL prototype built in the Aerospace Systems and Control Laboratory (ASCL) of Politecnico di Milano ([1], [2] and [3]). In the first part of the thesis the Simulink model of the aircraft is updated: experimental data of vertical rotors and forward propellers obtained in the wind tunnel are included in the model; moreover, the aerodynamic model is rewritten to be used in optimization processes. Subsequently, weak and strong input redundancy theory is presented and adapted for the VTOL under study. This theoretical foundation is the core of full-flight regime capabilities of the controller, enabling it to autonomously optimize pitch attitude, which is the main distinction variable between the three flight modes: multirotor, fixed-wing and transition. Moreover, strong input redundancy further refines the optimization process by allowing dynamic input allocation. The newly designed controller is successfully tested in the simulator, where it showcases its capabilities in optimizing pitch and actuator effort to achieve smoother transitions between flight regimes.

Negli ultimi anni, i veicoli aerei senza pilota (UAV in inglese) hanno acquisito notevole interesse nel panorama aeronautico. Sono comunemente associati a piccoli quadrotori, anche se esistono molte altre configurazioni; tra queste, gli UAV a decollo e atterraggio verticale (VTOL in inglese) hanno guadagnato un'attenzione crescente per la loro capacità unica di fondere le classiche modalità di volo dei multirotori e degli aerei ad ala fissa. La configurazione VTOL risolve le carenze dei multirotori in termini di autonomia oraria e raggio d'azione, mantenendo le capacità di volo verticale e di hovering che mancano alle macchine ad ala fissa. Per questo motivo, gli UAV VTOL possono volare in tre diverse modalità: come multirotore, come ala fissa e ibrida durante la transizione; i controllori esistenti più diffusi hanno un controllore dedicato per ognuna di queste modalità. L'obiettivo di questa tesi è lo sviluppo di un controllore unificato per tutti i regimi di volo per un velivolo VTOL, che consenta un tracciamento della traiettoria a tutte le velocità. Il che rappresentà un passo avanti nel raggiungimento della capacità di volo completmente autonomo per questo tipo di velivoli. Il controllore proposto è sviluppato per un prototipo di VTOL realizzato nel Aerospace Systems and Control Laboratory (ASCL) del Politecnico di Milano ([1], [2] and [3]). Nella prima parte della tesi viene aggiornato il modello Simulink del velivolo: i dati sperimentali delle eliche orizzontali e dei rotori verticali ottenuti nella galleria del vento vengono inclusi nel modello; inoltre, il modello aerodinamico viene riscritto per essere adeguato ai processi di ottimizzazione. Successivamente, viene presentata la teoria della ridondanza debole e forte in ingresso, adattata al VTOL in esame. Questa base teorica è il fulcro delle capacità del nuovo controllore, gli consente infatti di ottimizzare autonomamente l'assetto di beccheggio, che è la principale variabile di distinzione tra le tre modalità di volo: multirotore, ala fissa e transizione. Inoltre, la strong input redundancy perfeziona ulteriormente il processo di ottimizzazione, consentendo l'allocazione dinamica degli ingressi. Il nuovo controllore è stato testato con successo al simulatore, dove ha dimostrato le sue capacità di ottimizzare l'angolo di beccheggio e gli sforzi di attuazione per ottenere transizioni più fluide tra i vari regimi di volo.