Modelling and control of soft kite AWE system during take off and landing

This thesis explores the development of Airborne Wind Energy (AWE) systems technologies, an alternative approach to generating wind energy by using kites or drones to capture wind energy at higher altitudes compared to traditional wind turbines. AWE systems can become a key element for a more sustainable future. The thesis focuses on takeoff and landing strategies for AWE systems with soft kites. In fact, the current literature lacks in-depth studies on models and autonomous control strategies for these phases. Making these operations autonomous is important for the large-scale deployment of AWE systems. After an analysis of existing models, the thesis proposes a new model suitable for simulating the takeoff and landing phases, inspired by pre-existing models. The model is described through the relevant equations and then simulated with a controller during the energy production phase to verify the behavior of the kite. Subsequently, the thesis analyzes the equilibria of the modeled system and presents the results obtained. A crucial aspect of this work is the development and implementation of controllers to manage the autonomous flight of the kite during all takeoff and landing phases. In the study, various controllers were devised and applied to the simulated model, and the results obtained are presented and analyzed in the document. Additionally, the thesis examines the robustness of the controllers at different wind speeds and changes in wind direction. This study represents a step forward in identifying solutions for the automation of take-off and landing of soft kites.

Questa tesi esplora lo sviluppo delle tecnologie dei sistemi di Airborne Wind Energy (AWE), un approccio alternativo per generare energia eolica utilizzando aquiloni o droni per catturare l'energia del vento ad altitudini superiori rispetto alle tradizionali turbine eoliche. I sistemi AWE possono diventare un elemento chiave per un futuro più sostenibile. La tesi si concentra su strategie di decollo e atterraggio per sistemi AWE con aquiloni morbidi. La letteratura attuale non contiene studi approfonditi su modelli e strategie di controllo autonomo per queste fasi. Rendere queste operazioni autonome è cruciale per la diffusione su larga scala dei sistemi AWE. Dopo un'analisi dei modelli esistenti, la tesi propone un nuovo modello adatto a simulare le fasi di decollo e atterraggio ispirato ai modelli preesistenti. Il modello viene descritto attraverso le relative equazioni e poi simulato con un controllore durante la fase di produzione di energia per verificare il comportamento dell'aquilone. Successivamente, la tesi analizza gli equilibri del sistema modellato e presenta i risultati ottenuti. Un aspetto cruciale di questo lavoro è lo sviluppo e l'implementazione di controllori per gestire il volo autonomo dell'aquilone durante tutte le fasi di decollo e atterraggio. Nello studio riportato nella tesi, vari controllori sono stati ideati e applicati al modello simulato; i risultati ottenuti sono presentati e analizzati nel documento. Inoltre, la tesi analizza la robustezza dei controllori a diverse velocità e cambi di direzione del vento. Questo studio rappresenta un passo avanti nell'identificazione di soluzioni per l'automazione del decollo e dell'atterraggio di aquiloni morbidi.