Modeling, control and experimental validation of a power beaming pointing system

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are increasingly employed for persistent surveillance, inspection and logistics, yet their flight endurance is fundamentally limited by onboard battery capacity. SunCubes srl, an Italian start-up, addresses this bottleneck with laser- based power beaming, which requires sub-degree pointing accuracy over tens of meters to reliably recharge UAVs in flight. Achieving such precision under dynamic conditions and disturbances demands a robust, real-time control solution. This thesis presents the development and experimental validation of a low-cost, easy-to-use hardware-in-the-loop test bench that faithfully emulates the final pointing system archi- tecture. A full rigid-body dynamic model, derived via Euler–Lagrange mechanics and explicitly accounting for structural unbalance and inter-axis coupling, was identified and validated using static and dynamic estimation in MATLAB. Key electrical and mechanical parameters were estimated. A centralised PID control loop, tuned on the identified model, was implemented to track quintic-polynomial reference trajectories generated. Experimental trials, including circu- lar and sinusoidal motions, demonstrated Line-of-Sight pointing errors under 0.05◦, well within the 0.1◦ RMS requirement for mid-range power transfer. These results confirm the feasibility of robust, sub-degree laser pointing for in-flight UAV recharging. Future work will explore friction compensation, advanced H∞ or MPC schemes, and transition to the final gimbal, based on industrial-grade technologies, for UAV-mounted field trials.

I velivoli a pilotaggio remoto (UAV) sono sempre più utilizzati in applicazioni di sorveg- lianza, ispezione e logistica, ma la loro autonomia di volo è fortemente limitata dalla capacità delle batterie di bordo. SunCubes srl, una start-up italiana, affronta questo lim- ite attraverso il power beaming laser, che richiede un’accuratezza di puntamento inferiore al grado su distanze dell’ordine delle decine di metri per consentire la ricarica affidabile degli UAV in volo. Ottenere tale precisione in condizioni dinamiche e in presenza di disturbi richiede una soluzione di controllo robusta e in tempo reale. Questa tesi presenta lo sviluppo e la validazione sperimentale di un banco di test hardware- in-the-loop a basso costo, facile da usare, e rappresentativo dell’architettura finale del sis- tema di puntamento. È stato identificato e validato un modello dinamico a corpo rigido completo, derivato tramite meccanica di Euler–Lagrange e in grado di considerare esplici- tamente squilibri strutturali e accoppiamenti tra gli assi. I principali parametri elettrici e meccanici sono stati stimati mediante procedure statiche e dinamiche in MATLAB. È stato implementato un controllore PID centralizzato, tarato sul modello identificato, per l’inseguimento di traiettorie di riferimento generate con interpolazione polinomiale di quinto grado. Le prove sperimentali, inclusi movimenti circolari e sinusoidali, hanno evidenziato errori angolari sulla linea di vista inferiori a 0.05◦, soddisfacendo il requisito di accuratezza RMS di 0.1◦ necessario per la trasmissione di potenza su medie distanze. Questi risultati confermano la fattibilità di un sistema di puntamento laser sub-grado per la ricarica in volo di UAV. I futuri sviluppi includeranno la compensazione degli attriti, l’adozione di controlli avanzati H∞ o Model Predictive Control (MPC), e il passaggio alla piattaforma finale, basata su tecnologie di livello industriale, per test in campo su UAV.