Studio di un controllore LQR per la stabilità del volo degli AC75

This thesis project aims to develop an LQR controller for controlling an AC75. While an autopilot is not allowed to be implemented in America's Cup regattas, it can be useful in the design and testing phase of boat and crew training by providing them optimal commands for the conditions in which the boat is found. Using a model of an AC75 in a simulation environment, the controller is developed on the linearized system around an equilibrium point and then implemented on the nonlinear system. The LQR control is able to handle the height Z adjustment and Roll, Pitch and Yaw angles using the rudder and the flaps on the PortFoil. This is made possible by the addition of integrators for reference tracking and a decoupled Anti-Windup compensation designed to handle the limits of the control variables. The possibility of using a Gain Scheduling LQR on the nonlinear system is then explored, with real-time updating of the LQR gain. The developed controller exhibits good responses in the no-wave simulation environment, turns out to be able to adjust the variables with small settling times and maintain them at the desired values.

Il progetto di tesi si pone come obiettivo lo sviluppo di un controllore LQR per il controllo di un AC75. Seppur non sia permessa l'implementazione di un autopilota nelle regate dell'America's Cup, esso può risultare utile nella fase di design, collaudo della barca e allenamento dell'equipaggio, fornendo i comandi ottimali per le condizioni in cui si trova l'imbarcazione. Utilizzando un modello di un AC75 in ambiente di simulazione, il controllore viene sviluppato sul sistema linearizzato nell'intorno di un punto di equilibrio e poi implementato sul sistema non lineare. Il controllo LQR è in grado di gestire la regolazione dell'altezza Z e gli angoli di Roll, Pitch e Yaw con l'utilizzo del timone e dei flap presenti sul foil di babordo. Questo è possibile grazie all'aggiunta di integratori per l'inseguimento dei riferimenti e a una compensazione Anti-Windup disaccoppiata, progettata per gestire i limiti delle variabili di controllo. Viene poi esplorata la possibilità di utilizzo di un Gain Scheduling LQR sul sistema non lineare, con aggiornamento in tempo reale del guadagno del LQR. Il controllore sviluppato presenta buone risposte in ambiente di simulazione in assenza di onda, risulta in grado di regolare le variabili con tempi di assestamento contenuti e mantenerle ai valore desiderati.