Structural redesign, simulation, control, and state estimation of an eVTOL UAV

In the past years, Unmanned Aerial Vehicles (UAV) have gained increasing interest in the aeronautical field. Various configurations of UAV exist. In particular, fixed-wing and multi-copter configurations can be merged in what is known as a Vertical Take-Off and Landing (VTOL) vehicle. These have become increasingly popular thanks to their ability to take off and land without the need for a runway and their increased range capability, enabled by the greater efficiency of a fixed-wing design compared to a rotary-wing. This thesis builds on the development of an electric Vertical Take-Off and Landing (eVTOL) UAV, previously designed at the Aerospace Systems and Control Laboratory (ASCL) of Politecnico di Milano. This work focuses on the upgrade of some features of the vehicle and the new design of the fuselage, which crashed one week before the beginning of this project. The long-term goal is to implement these new enhancements into a second machine, ultimately refining the entire design from scratch. The propulsive system was changed into one compatible with a higher voltage of 24V, and the fuselage was modified to make it modular, easier to fix in case of a crash, and able to accommodate a small payload, which could eventually include a camera and a GPU for autonomous guidance. Additionally, the Simulink flight simulation environment was upgraded by integrating the various versions developed over the past years and ensuring compatibility with Git. Furthermore, the simulation of onboard sensors is included in the simulator, and the development of their Simulink models is provided. Moreover, the control in multi-rotor mode is examined, specifically focusing on the effects of fixed rotor axis inclination to improve yaw and roll maneuverability, areas that presented challenges in previous flight tests. The results are compared with the vertical axis configuration, demonstrating enhanced maneuverability at the expense of a negligible increase in control effort during hovering. Finally, a fully coupled Extended Kalman Filter (EKF) is developed. The mathematical background is explained and a comprehensive description of the utilized dynamical model and of the sensor models is provided. The Simulink implementation and the obtained results are also discussed, showing some issues in attitude tracking.

Negli ultimi anni, i velivoli a pilotaggio remoto (UAV in inglese) hanno suscitato un interesse crescente nel campo aeronautico. Esistono diverse configurazioni di UAV: le configurazioni ad ala fissa e multi-rotore possono essere combinate in quella che è nota come un velivolo a decollo e atterraggio verticale (VTOL in inglese). Questi velivoli stanno diventando sempre più popolari grazie alla loro capacità di decollare e atterrare senza la necessità di una pista e alla loro maggiore autonomia, resa possibile dall’efficienza superiore di un design ad ala fissa rispetto a un’ala rotante. Questa tesi si basa sullo sviluppo di un velivolo VTOL elettrico (eVTOL in inglese), precedentemente progettato presso l’Aerospace Systems and Control Laboratory (ASCL) del Politecnico di Milano. Questo lavoro si concentra sul miglioramento di alcune caratteristiche del veicolo e sul nuovo design della fusoliera, che `e stata danneggiata in un incidente una settimana prima dell’inizio del progetto. L’obiettivo a lungo termine è implementare questi nuovi miglioramenti in un secondo velivolo, perfezionando infine l’intero progetto partendo da zero. Il sistema propulsivo è stato modificato per essere compatibile con una tensione di 24V e la fusoliera è stata resa modulare, più facile da riparare, e in grado di ospitare un piccolo carico utile, che potrebbe includere una telecamera e una GPU per la guida autonoma. Inoltre, il simulatore di volo in Simulink è stato aggiornato integrando le varie versioni sviluppate negli anni precedenti, assicurando la compatibilità con Git, e sono anche stati inclusi i modelli dei sensori di bordo. Inoltre, è stato esaminato il controllo in modalità multi-rotore, concentrandosi sugli effetti di un’inclinazione fissa dell’asse dei rotori per migliorare la manovrabilità di rollio e imbardata, che ha presentato difficoltà nei test di volo passati. I risultati sono confrontati con la configurazione con asse verticale, dimostrando un miglioramento nella manovrabilità a fronte di un aumento trascurabile dello sforzo di controllo. Infine, è stato sviluppato un Filtro di Kalman Esteso (EKF), di cui vengono forniti il background matematico, una descrizione completa del modello dinamico e dei modelli dei sensori utilizzati. Sono discussi anche l’implementazione in Simulink e i risultati ottenuti, evidenziando alcune problematiche nella stima dell’assetto.