Motion primitive-based kinodynamic planning for full-flight regime of Lift + Cruise VTOL UAVs

Hybrid Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) integrate Vertical Take-Off and Landing (VTOL) capability with fixed-wing flight, enabling runway-independent operations while retaining the aerodynamic efficiency and cruise performance of conventional aircraft. Planning safe and dynamically feasible trajectories for these vehicles is challenging due to nonlinear dynamics, non-convex collision constraints, and time-varying control limits, especially during transitions between flight regimes. Purely kinematic planning methods neglect dynamic effects and can thus generate infeasible trajectories for VTOL vehicles. In this thesis, a general kinodynamic motion planning framework is applied to generate a complete full-flight-regime mission for a Lift + Cruise VTOL UAV. Firstly, a library of dynamically feasible motion primitives is generated offline by solving a series of Two-Point Boundary Value Problems (TPBVPs) between discretized boundary states, using direct optimal control. The library spans multirotor, transition, and fixed-wing regimes, where optimal trajectories are generated employing phase-specific objective functions and constraints. This offline precomputation significantly reduces the computational burden during online planning. At runtime, a search-based planner concatenates selected primitives while enforcing collision avoidance, producing an initial trajectory. To limit library size and maintain computational efficiency, continuity between consecutive primitives is enforced only on the subset of discretized state variables used to define the TPBVPs. As a result, bounded discontinuities may arise at primitive junctions; these are subsequently removed through a smoothing step, which restores dynamic consistency across flight phases. Numerical results obtained for a simplified 2D VTOL model show that the proposed method produces smooth and dynamically feasible trajectories across all flight regimes.

I veicoli aerei senza pilota (UAV in inglese) integrano la capacità di decollo e atterraggio verticali (VTOL in inglese) con il volo ad ala fissa, consentendo operazioni indipendenti dalla pista pur mantenendo l’efficienza aerodinamica e le prestazioni in crociera tipiche dei velivoli convenzionali. La pianificazione di traiettorie sicure e dinamicamente fattibili per questi veicoli è resa complessa dalla non linearità della dinamica, dai vincoli di collisione non convessi e da limiti sui controlli variabili nel tempo, in particolare durante le transizioni tra i regimi di volo. I metodi di pianificazione puramente cinematici trascurano gli effetti dinamici e possono generare traiettorie non fattibili per veicoli VTOL. In questa tesi viene applicato un metodo per la pianificazione ottimale del moto cinematico e dinamico per generare una missione completa che copre tutti i regimi di volo di un UAV VTOL in configurazione Lift + Cruise. Inizialmente viene generata offline una libreria di primitive di moto dinamicamente fattibili, risolvendo una serie di problemi ai valori al contorno in due punti (TPBVPs in inglese) tra stati discretizzati, mediante metodi diretti di controllo ottimo. La libreria comprende i regimi multirotore, di transizione e ad ala fissa, nei quali le traiettorie ottime sono generate impiegando funzioni obiettivo e vincoli specifici per ciascuna fase. Questa fase di calcolo preliminare offline riduce significativamente il carico computazionale nella pianificazione online. Durante l’esecuzione, un pianificatore basato sulla ricerca su grafo concatena le primitive selezionate nel rispetto dei vincoli di collisione, generando una traiettoria iniziale. Per contenere la dimensione della libreria e mantenere l’efficienza computazionale, la continuità tra primitive consecutive è imposta solo su un sottoinsieme delle variabili di stato discretizzate utilizzate per definire i TPBVPs. Ne consegue il verificarsi di discontinuità limitate nei punti di giunzione tra primitive; queste vengono successivamente rimosse mediante una fase di smoothing, che ripristina la coerenza dinamica tra le diverse fasi di volo. I risultati numerici ottenuti considerando un modello semplificato di un VTOL 2D mostrano che il metodo proposto genera traiettorie regolari e dinamicamente fattibili in tutti i regimi di volo.