Improvement of the flight control system strategy of a Tilt-wing Unmanned Air Vehicle (UAV)

This thesis focuses on the improvement of the flight control system for a tilt-wing Unmanned Aerial Vehicle (UAV), developed in collaboration with Dufour Aerospace and the Zurich University of Applied Science (ZHAW). Tilt-wing aircrafts represent a promising solution within the eVTOL class, combining the vertical take-off and landing capability of rotorcraft with the aerodynamic efficiency of fixed-wing airplanes. When subjected to environmental disturbances and ground-effect phenomena, tilt-wing aircraft face significant control challenges, which are specifically addressed in this thesis. The work begins with an analysis of Dufour’s baseline control architecture, based on the Unified Velocity Controller (UVC), highlighting its main limitations in terms of disturbance rejection. A redesigned control strategy was then proposed, adopting a cascade control architecture composed of an outer PID velocity loop and an inner proportional acceleration loop. The new design also integrates a ground effect compensation strategy and altitude-dependent gain scheduling to improve stability near the ground. The redesigned controller was implemented within Dufour Aerospace’s high-fidelity simulation environment and validated across various scenarios, including steady wind, periodic gusts, and combined disturbance conditions. Simulation results demonstrated a significant improvement in robustness and disturbance rejection, maintaining stability and precise tracking even in the presence of actuator saturation and increased control gains. Furthermore, a set of refinement measures was introduced to alleviate control degradation caused by actuator saturation, especially during aggressive maneuvers or high-demand flight scenarios. The proposed cascade controller therefore offers a more responsive and resilient solution compared to the existing UVC, paving the way for more robust and reliable flight control in future tilt-wing UAV operations.

La presente tesi si concentra sul miglioramento della strategia di controllo di volo di un velivolo a decollo e atterraggio verticale di tipo tilt-wing, sviluppato in collaborazione con Dufour Aerospace e con l'Università di Zurigo di Scienze Applicate (ZHAW). Gli aeromobili tilt-wing rappresentano una soluzione promettente all’interno della categoria eVTOL, poiché combinano la capacità di decollo e atterraggio verticale tipica dei velivoli ad ala rotante con l’efficienza aerodinamica degli aerei ad ala fissa. L’esposizione a disturbi ambientali e ai fenomeni di effetto suolo comporta per i velivoli tilt-wing rilevanti sfide di controllo, analizzate in modo specifico in questa tesi. Il lavoro ha avuto inizio con l’analisi dell’architettura di controllo di riferimento di Dufour, basata sull’Unified Velocity Controller (UVC), mettendone in evidenza le principali limitazioni in termini di reiezione dei disturbi. È stata quindi sviluppata una nuova strategia di controllo, fondata su un’architettura a cascata composta da un anello esterno di controllo della velocità di tipo PID e da un anello interno di controllo proporzionale dell’accelerazione. La nuova struttura integra inoltre una strategia di compensazione dell’effetto suolo e una schedulazione dei guadagni in funzione dell’altitudine, al fine di migliorare la stabilità nelle fasi prossime al suolo. Il controllore riprogettato è stato integrato all’interno del simulatore di Dufour Aerospace e validato in diversi scenari, comprendenti vento stazionario, raffiche periodiche e condizioni di disturbi combinati. I risultati delle simulazioni hanno evidenziato un netto miglioramento in termini di robustezza e capacità di reiezione dei disturbi, garantendo stabilità e tracciamento accurato anche in presenza di saturazione degli attuatori e con guadagni di controllo raddoppiati. Sono stati inoltre introdotti specifici miglioramenti per limitare il degrado del controllo dovuto alla saturazione degli attuatori, in particolare durante manovre aggressive o in condizioni di forti sollecitazioni. Il controllore a cascata proposto offre quindi una soluzione più reattiva e robusta rispetto all’UVC esistente, aprendo la strada a un controllo di volo più resiliente per le future operazioni di UAV tilt-wing.