Procedure di decollo e atterraggio per un sistema multi-UAV con un carico sospeso

Abstract

L’acronimo UAV (Unmanned Aerial Vehicle) indica un velivolo senza pilota. In questa tesi si parte da una configurazione di tre UAV disposti ai vertici di un triangolo equilatero e collegati ad un carico comune, posizionato al centro, attraverso tre corde di lunghezza predefinita. Ogni UAV ha un autopilota a bordo, già predisposto per controllarne il movimento, considerando però l'UAV da solo e senza alcun carico appeso ad esso.

Il problema affrontato è la gestione delle criticità che si presentano nelle fasi di decollo e atterraggio dell’intera formazione appena descritta, in cui come UAV sono stati scelti dei quadricotteri. Si deve infatti tenere conto sia della massa del carico trasportato, che viene divisa equamente tra i tre UAV e che non è trascurabile, sia della conseguente tensione agente sulle corde nel momento in cui il peso non si trova più a terra. Lo scopo è fare in modo che il decollo e l’atterraggio siano smooth, per evitare conseguenze sull'integrità del carico, ma allo stesso tempo che avvengano nel minor tempo possibile, in modo che il carico arrivi velocemente a destinazione. Per rendere realizzabile quanto descritto, è stata utilizzata la combinazione di diversi algoritmi di controllo: dei controllori PID, un sistema per imporre agli UAV una traiettoria rettilinea da seguire e un controllo basato sul consenso. Il punto di forza dei sistemi proposti in questo lavoro è senza dubbio la loro versatilità: attuando delle piccole variazioni è possibile riadattarli anche a situazioni con parametri leggermente diversi da quella presa in esame, per esempio con differente numero di UAV o massa del carico trasportato.

The acronym UAV (Unmanned Aerial Vehicle) refers to an unmanned aircraft. In this thesis we start with a configuration of three UAVs arranged at the vertices of an equilateral triangle and connected to a common payload, positioned at the center, through three ropes of predefined length. Each UAV has an onboard autopilot, already set up to control its movement, considering the UAV alone without any payload attached to it.

The problem addressed is the management of the critical issues that arise during the takeoff and landing phases of the described formation, where quadcopters have been chosen as UAVs. It is necessary to consider both the mass of the transported payload, which is equally divided among the three UAVs and is not negligible, and the resulting tension acting on the ropes when the weight is no longer on the ground. The goal is to ensure that takeoff and landing are smooth, to avoid consequences on the integrity of the payload, but at the same time occur as quickly as possible, so that the payload reaches its destination promptly. To achieve this, a combination of different control algorithms was used: PID controllers, a system to impose a straight trajectory for the UAVs to follow, and consensus-based control. The strength of the systems proposed in this work is undoubtedly their versatility: with small variations, they can be adapted to situations with slightly different parameters from the one examined, for example, with a different number of UAVs or payload mass.