Politecnico di Milano Data-driven attitude and position control design for Micro Aerial Vehicles

134 Pages·2017·12.97 MB·English

by  Stefano Capocchiano

Politecnico di Milano
Scuola di Ingegneria Industriale e dell’Informazione
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Aeronautica
Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali
Data-driven attitude and position control
design for Micro Aerial Vehicles
Advisor: Prof. Marco LOVERA
Co-Advisor: Eng. Pietro PANIZZA
Thesis by:
Stefano CAPOCCHIANO Matr. 842067
Academic Year 2016–2017

Alla mia famiglia, che mi `e sempre stata vicina.

Ringraziamenti
Desidero innanzitutto ringraziare il professor Marco Lovera per la disponibilit`a che
mi ha sempre dimostrato e per la fiducia che ha riposto in me nell’affidarmi questo
progetto. Lo ringrazio inoltre per aver stimolato il mio interesse nell’argomento,
nonch`e quella curiosit`a senza la quale questa tesi non sarebbe stata possibile.
Vorrei dedicare un ringraziamento particolare a Pietro Panizza che mi ha assi-
stito fin dal primo giorno. In particolare, vorrei ringraziarlo per l’infinita disponi-
bilit`a e pazienza che mi ha sempre riservato, nonch´e per l’altruismo dimostrato in
piu` occasioni. Il suo preziosissimo aiuto e le conoscenze che mi ha trasmesso, piu` di
ogni altra cosa, sono state essenziali per raggiungere questo risultato.
Infine, vorrei esprimere la mia profonda gratitudine alla mia famiglia, che in
questi anni di studio mi ha sempre sostenuto, moralmente e materialmente. Il rag-
giungimento di questo mio traguardo lo devo anche a loro.

Abstract
The definition of flight control laws is one of the most demanding activities in the
process of designing remote-controlled multirotor systems. Typically, the controller
is synthesised by means of techniques that rely on a prior modelling of the real
plant, which however frequently neglects some significant dynamic effects. To en-
surerobustnesswithrespecttomodeluncertainties,acleardegradationofcontrolled
system performance in favour of stability is necessary. Data-driven tuning methods,
in contrast, do not require an accurate knowledge of the model, thus eliminating the
problem of under-modelling and therefore representing an efficient alternative in the
design of flight control laws. The purpose of this thesis is to extend the data-driven
methods available in the literature to tune both the attitude and the position PID
controllers of a small-scale quadrotor of the Micro Aerial Vehicles (MAVs) class. In
particular, the data-driven methods discussed in the literature present some limita-
tions that hinder their diffusion in the multirotor design framework and make them
totallyunsuitableforanypotentialapplicationinthehelicopterindustry. Aspartof
thepresentwork, ithasbeenshownthatadata-drivenmethodguaranteeinga-priori
closed-loop stability can be effectively implemented, thereby making the subsequent
experimentalvalidationtestvirtuallyrisk-free. Inaddition,byextendingtheVirtual
Reference Feedback Tuning (VRFT) algorithm, it has been possible to apply it to
closed-loop collected data. The resulting controller showed similar performance to
that obtained with open-loop collected data, while ensuring a significant simplifica-
tion of the tuning process. Finally, experimental tests have shown that data-driven
methods can provide performance comparable to model-based methods such as the
H , but requiring only one experimental test. These results pave the way for the
∞
potential adoption of the proposed tuning approaches in the helicopter industry.

Sommario
La definizione delle leggi di controllo `e una delle attivit`a piu` onerose nel progetto
di sistemi multirotore a pilotaggio remoto. La sintesi del controllore `e tipicamente
affidata a tecniche basate su una preventiva modellazione del sistema reale, la quale
pero`spessotrascuraimportantidinamiche. Dovendogarantirerobustezzarispettoa
taliincertezzedimodello,siimponeundecisivodegradodelleprestazionidelsistema
controllato a favore della stabilit`a. Le tecniche di taratura data-driven, al contrario,
non richiedono una conoscenza accurata del modello, eliminando dunque il proble-
ma delle dinamiche non modellate e rappresentando perci`o una valida alternativa
nella progettazione delle leggi di controllo. Lo scopo del presente lavoro di tesi `e
quello di estendere le tecniche data-driven presenti in letteratura, al fine di tarare i
controllori PID di assetto e posizione di un quadrirotore appartenente alla categoria
dei Micro Aerial Vehicles (MAVs). In particolare, i metodi data-driven discussi in
letteratura presentano limitazioni che ne ostacolano la diffusione nel progetto di
multirotori e li rendono totalmente inadatti a un’eventuale applicazione in ambito
elicotteristico. Nell’ambito del lavoro svolto, `e stato dimostrato come sia possibile
realizzare un controllore mediante tecnica data-driven che garantisca, a priori, la
stabilit`adelsistemacontrollato,rendendovirtualmenteprivadirischilaprovasperi-
mentale di validazione. Inoltre, mediante estensione dell’algoritmo VRFT (Virtual
Reference Feedback Tuning), `e stato possibile applicarlo, per la prima volta, a dati
raccolti in anello chiuso. Il controllore cos`ı realizzato ha dimostrato prestazioni
paragonabiliallacontroparteottenutacondatiraccoltiinanelloaperto,connotevole
semplificazione del processo di taratura. Infine, le prove sperimentali effettuate
hanno dimostrato che, mediante metodi data-driven,`e possibile ottenere prestazioni
paragonabili a quelle proprie dei metodi model-based come l’H , richiedendo per`o
∞
una sola prova sperimentale. Tutto ci`o apre di fatto la strada al potenziale impiego
del metodo di taratura proposto in campo elicotteristico.