Design and implementation of an attitude determination system for a quadrotor helicopter

The aim of the present thesis work is to estimate the attitude, to study the dynamic model and to design the control of a commercial quadcopter prototype. A quadcopter, also known as quadrotor, is a helicopter lifted and propelled by four rotors. Small sized quadrotors are often used as UAVs (Unmanned Aerial Vehicles) in research and amateur projects, because of their simple symmetric structure and their relatively easy control law, e.g., if compared to traditional helicopters. In this thesis, the Madgwick filter is applied to estimate the state of the quadrotor from the noisy measurements of low-cost MEMS sensors on board. Then the estimated state is used by a PID control algorithm designed to keep the desired attitude during various maneuvers. The whole system (composed of the dynamic model of the drone, the designed controllers and the attitude estimation filter proposed) was implemented in MATLAB/Simulink, after having experimentally tested in laboratory (on a commercial quadcopter) the attitude validity estimated by the filter. The model developed in MATLAB allowed us to perform different tests (from simple hovering to complex trajectories), as well as to demonstrate the stability and the good performances of the control system.

Lo scopo del presente lavoro di tesi è stimare l'assetto, realizzare il modello dinamico e progettare il controllo di un quadricottero commerciale. Un quadricottero, noto anche come quadrirotore, è un elicottero sollevato e spinto da quattro rotori. Quadricotteri di piccole dimensioni sono spesso usati come UAV (Unmanned Aerial Vehicles) in progetti di ricerca e amatoriali, perché presentano una struttura simmetrica e una legge di controllo più semplice rispetto agli elicotteri tradizionali. In questa tesi, viene applicato il filtro di Madgwick sulle misure dei sensori MEMS a bordo del velivolo al fine di stimare lo stato del quadricottero. Questa stima viene poi utilizzata da un algoritmo di controllo PID, progettato per mantenere l'assetto desiderato durante le manovre richieste. L’intero sistema (composto dal modello dinamico del drone, dai controllori progettati e dal filtro proposto per la stima dell’assetto) è stato implementato in MATLAB/Simulink dopo aver testato sperimentalmente in laboratorio, a bordo di un quadricottero commerciale, la validità dell’assetto stimato dal filtro. Il modello ricostruito in MATLAB ci ha permesso di svolgere differenti test (dal semplice volo stazionario all’inseguimento di traiettorie complesse), ma soprattutto di dimostrare la stabilità e le buone prestazioni del sistema di controllo.