Anti-windup control strategies for fixed-tilt multirotor UAVs for aerial interaction

The increasing use of multirotor UAVs in tasks that demand high levels of autonomy and robustness has exposed fundamental limitations associated with actuator constraints and force generation capabilities. In particular, aerial platforms designed to operate beyond purely navigational missions must cope with pronounced direction-dependent actuation limits that arise from their mechanical configuration. These limitations can significantly affect closed-loop behavior, leading to performance degradation and windup-like phenomena when control commands exceed the admissible force authority, even in the absence of explicit integral action. Understanding and systematically addressing these effects is essential for reliable operation of advanced aerial robotic systems. Within this context, this thesis studies fixed-tilt multirotor UAVs as a representative class of platforms that offer enhanced force generation capabilities while retaining mechanical simplicity. Focusing on the fixed-tilt hexarotor ARIES, the work first characterizes the platform’s actuation structure and direction-dependent force limits, and then develops a performance-oriented anti-windup strategy based on the Direct Linear Anti-Windup (DLAW) framework, providing formal stability and performance guarantees. To overcome the conservatism induced by symmetric saturation assumptions, a shifted-equilibrium formulation is introduced to explicitly handle asymmetric input constraints. The proposed DLAW framework is validated through flight experiments on the ARIES platform, demonstrating their effectiveness under realistic operating conditions.

Il crescente impiego di UAV multirotore in applicazioni che richiedono elevati livelli di autonomia, robustezza e capacità operative avanzate ha evidenziato limiti strutturali legati alle restrizioni degli attuatori e alle capacità di generazione delle forze. In particolare, le piattaforme aeree progettate per svolgere compiti che vanno oltre la semplice navigazione devono confrontarsi con vincoli di azionamento marcati e dipendenti dalla direzione, intrinsecamente connessi alla loro configurazione meccanica. Tali limitazioni possono influenzare in modo significativo il comportamento a circuito chiuso, determinando un degrado delle prestazioni e l’insorgenza di fenomeni assimilabili al windup quando i comandi di controllo superano l’autorità di forza effettivamente disponibile, anche in assenza di un’azione integrale esplicita. La comprensione e la trattazione sistematica di tali effetti risultano pertanto fondamentali per garantire l’affidabilità operativa dei sistemi robotici aerei di nuova generazione. In questo contesto, la presente tesi analizza gli UAV multirotore a inclinazione fissa come classe rappresentativa di piattaforme in grado di offrire capacità di generazione di forza potenziate, pur mantenendo una struttura meccanica relativamente semplice e robusta. Con riferimento all’esacottero a inclinazione fissa ARIES, il lavoro caratterizza innanzitutto la struttura di attuazione e i limiti di forza dipendenti dalla direzione, sviluppando successivamente una strategia anti-windup orientata alle prestazioni basata sul framework Direct Linear Anti-Windup (DLAW), corredata da garanzie formali di stabilità e prestazione. Per ridurre il conservatorismo derivante dall’ipotesi di saturazione simmetrica, viene inoltre introdotta una formulazione a equilibrio traslato finalizzata alla gestione esplicita di vincoli di ingresso asimmetrici. Le metodologie proposte sono infine validate mediante campagne sperimentali di volo sulla piattaforma ARIES, dimostrandone l’efficacia in condizioni operative realistiche.