Analisi ed Implementazione di Controllori Non Lineari per Velivoli Multirotore

Non è più così raro imbattersi in velivoli a guida remota (altrimenti noti come UAV:unmanned aerial vehicle). Questi strumenti possono essere ormai reperiti con molta facilità e a costi relativamente bassi, grazie alla ricerca che si è sviluppata attorno ad essi, sempre più interessata allo sviluppo di nuovi sistemi che permettessero di risolvere i più svariati tipi di problemi, in maniera del tutto innovativa. Gli UAV hanno strutture che possono essere molto differenti, si spazia da velivoli ad ala fissa, con le fattezze di aereoplani in miniatura, a quelli ad ala mobile, cioè dotati di uno o più rotori che producono la spinta necessaria al volo, quindi non solo riproduzioni di elicotteri (un solo rotore che genera portanza), ma anche quadricoterio esacotteri e così via; fino anche a mezzi ibridi tra le due categorie. Le piattaformemultirotore hanno destato enorme interesse e di esse la più studiata sicuramente èstata il quadricottero (quadrotor).Un quadricottero presenta un corpo centrale in cui possono trovarsi, oltre al motore,altri strumenti che ne permettono il funzionamento o misurano informazioni aggiun-tive: ad esempio giroscopi, bussole, magnetometri, telecamere, etc. Da questo corposi diramano quattro braccia (arms) a formare una croce, ai cui estremi sono postiquattro rotori dotati di eliche.ùI velovoli multirotore ad ala mobile come questi presentano un notevole vantaggionella loro modularità, avendo una zona centrale su cui è possibile il montaggio diapparati senza inficiarne (nei limiti) il funzionamento, grazie anche alla notevole ca-pacità di carico. Queste architetture sono altamente inefficienti, in quanto tutta laspinta aerodinamica necessaria per il movimento deve essere costantemente prodottadai rotori, a differenza della controparte ad ala fissa per cui la portanza è generatasfruttando leggi aerodinamiche, ottenendo lo spostamento con un minor dispendioenergetico. In realtà, questo può comunque non essere ritenuto di un limite ecces-sivo pensando alle sempre crescenti capacità delle batterie, proposte dal progressotecnologico; sia perchè questi velivoli sono caratterizzati da decollo ed atterraggioverticali, proprietà ineguagliabile per esperimenti in spazi ristretti o comunque nonsufficientemente ampi, la quale ne ha determinato l'indiscutibile successo.La possibilità di pilotare manualmente questi oggetti apre un'ampia strada per lasoluzione di molteplici problemi, come l'esplorazione di zone inaccessibili. Si pensi, acosa sarebbe possibile fare se essi potessero assolvere compiti in maniera totalmenteautonoma: i vantaggi aumenterebbero enormemente, così come l'efficienza stessa delsistema. La robotica è quel settore delle scienze dell'ingegneria che ha per oggetto lostudio e la realizzazione dei robot, strutture meccanico-elettriche capaci di assolveredei compiti in modo autonomo. Questo è proprio l'ambito in cui si è diretto lo sforzodella ricerca che già aveva acquisito esperienza su veicoli terrestri e mezzi industriali.Le pontenzialità di un velivolo totalmente autonomo e versatile come un multirotoresono elevate e i campi scientifici in cui essi trovano applicazione sono numerosi, oltreche in continua espansione. Una delle tematiche di ricerca più interessanti riguardal'individuazione di tecniche di controllo innovative per team di robot eterogenei (ter-resti, volanti ed acquatici) e che cooperano tra di loro. L'avanzamento tecnologicoha determinato il raggiungimento di nuovi obiettivi in termini di potenza di calcolo,strumenti di misurazione e miniaturizzazione, rendendo possibile l'autonomia delvelivolo grazie all'elaborazione a bordo e grazie all'eliminazione dei ritardi dovutiallo scambio dati da remoto.E' proprio nell'ambito del controllo che rientra l'obbiettivo di questa tesi. Essa èstata svolta presso il laboratorio dell'Istituto di Studi sui Sistemi Intelligenti perl'Automazione (ISSIA), del Consiglio Nazionale della Ricerca (CNR). L'obbiettivopropostosi è stato quello di implementare un particolare tipo di controllore, nonlineare, al fine di confrontare eventuali risultati con quelli già utilizzati (lineari),testandone l'attuabilità e la resa. Il problema generale che ci si è posti, consistenella costruzione di un sistema per l'inseguimento di un veicolo (ad esempio ter-restre) e successivo atterraggio su di esso. Suddiviso tale problema nelle tre fasi di:costruzione blocco di gestione (creazione ed aggiornamento di traiettoria), fase diinseguimento del dato prodotto dal primo, e fase di inseguimentio ravvicinato e atter-raggio. Un controllore di questa classe si poneva bene nell'ambito del controllo di unsistema altamente non lineare (come quello di un quadricottero) per l'inseguimentoe, avrebbe potuto dare risultati interessanti, probabilmente, anche per la fase diatterraggio in cui vengono generati meccanismi aerdinamici più complessi, di naturasicuramente non lineare.I progetti di ricerca attualmente seguiti dall'ISSIA riguardanti l'automatizzazione diUAV sono diversi, ed in ognuno si potrebbero ottenere un apporto dall'utilizzo di uncontrollore non lineare. Tra essi è possibile trovare il progetto MAVIS 1 : nell'ambitodella scansione di ghiacciai del Polo Nord si vuole creare una rete di robot marini.Un robot trasportatore viene utilizzato per portare uno o più UAV, ed uno o piùrobot acquatici nella zona di interesse, dove devono essere collezionati dei dati.Questa procedura è necessaria dato che con l'aumentare di strumentazioni a bordo, laautonomia diminuisce. L'UAV dovrà quindi decollare, assolvere il proprio compito,come ad esempio mappatura della zona circostante, ritornare in zona di atterraggioed eseguire la discesa. Contemporaneamente un compito parallelo sarà svolto daldrone sottomarino. Un sistema di questo tipo richiede un notevole sforzo in campimolto diversi tra loro, per cui l'effettivo funzionamento è una vera sfida. Il controlloè solo una piccola parte del problema complessivo.