Autonomous quadrotor UAV navigation with disturbance-aware control

This thesis addresses the modeling, analysis, and control of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) with a particular emphasis on robustness against measurement noise and external disturbances. A comprehensive nonlinear model is developed accounting for translational and rotational dynamics as well as aerodynamic effects and actuator contributions, and subsequently linearized around the hover equilibrium to obtain a 12-state representation suitable for stability analysis and controller design. Three control strategies are developed and compared: a Proportional-Derivative (PD) controller for both 2D and 3D cases, a Time-Varying Linear Quadratic Regulator (TVLQR) for the 3D model, and a hierarchical PID-PD architecture tailored for autonomous quadrotor flight. Their performance is evaluated in a high-fidelity simulation environment accounting for wind, GPS noise and actuator imperfections. The robustness of the proposed control technique is further investigated through extensive Monte Carlo simulations with randomized trajectories and disturbance realizations enabling a systematic assessment under varying levels of uncertainty. The main contribution of this work lies in the development of an innovative hierarchical PID-PD control strategy that combines relatively simple control structures into a unified architecture tailored for autonomous quadrotors. Furthermore, this approach has been extensively tested in simulation under realistic disturbances demonstrating its effectiveness in ensuring reliable performance in real-world flight scenarios.

Questa tesi affronta la modellazione, l’analisi e il controllo di un veicolo aereo senza pilota (UAV), con particolare enfasi sulla robustezza rispetto al rumore di misura e ai disturbi esterni. Viene sviluppato un modello non lineare completo che tiene conto delle dinamiche traslazionali e rotazionali, nonché degli effetti aerodinamici e dei contributi degli attuatori; successivamente il modello viene linearizzato attorno all’equilibrio in hovering al fine di ottenere una rappresentazione a 12 stati, adatta all’analisi di stabilità e alla progettazione dei controllori. Sono state sviluppate e confrontate tre strategie di controllo: un controllore ProporzionaleDerivativo (PD) per i casi 2D e 3D, un regolatore lineare quadratico a tempo variabile (TVLQR) per il modello 3D, e un’architettura PID-PD gerarchica progettata per il volo autonomo di quadrotori. Le prestazioni sono state valutate in un ambiente di simulazione ad alta fedeltà che tiene conto di vento, rumore GPS e imperfezioni degli attuatori. La robustezza della tecnica di controllo proposta è stata ulteriormente indagata tramite ampie simulazioni Monte Carlo con traiettorie e disturbi randomizzati, permettendo una valutazione sistematica sotto diversi livelli di incertezza. Il principale contributo di questo lavoro risiede nello sviluppo di una innovativa strategia di controllo PID-PD gerarchica, che combina strutture di controllo relativamente semplici in un’unica architettura progettata per quadrotori autonomi. Inoltre, questo approccio è stato ampiamente testato in simulazione in presenza di disturbi realistici, dimostrando la sua efficacia nell’assicurare prestazioni affidabili in scenari di volo reali.