Model-based diagnosis and control of unmanned aerial vehicles: application to the quadrotor system

Quadrotors are small aerial vehicles propelled by four rotors. They are commonly designed to be used as unmanned vehicles: vehicles that can accomplish a task without the aid of a human guide. In order to fly autonomously, the quadrotor must rely on: sensors that provide information about the external environment or the internal system states, actuators that physically realize the desired motion and a controller that drives the actuators according to the measurements and the task that need to be accomplished. Both sensors and actuators, however, may be subject to faults or failures and it is important that the vehicle can be also controlled if they occur. The present thesis tries to address two problems regarding the capability of the quadrotor vehicle to deal with faults: fault detection on sensors or actuators and the development of a stabilizing control law which can keep the vehicle flying even in case of actuator loss. Fault detection on sensors or actuators is addressed developing a modelbased diagnostic module, based on a residual generator and a decision making block. The residual generator is built on a nonlinear observer (Thau observer) which compares its signals with the measurements provided by the sensors. The resulting signals are evaluated by the decision making block, which integrates an adaptive threshold policy. Because of the way it is built, the module can be applied to a wide class of unmanned vehicles satisfying certain conditions, and not to the quadrotor vehicle only. The control law in case of actuator loss is developed using a double control loop architecture. The inner controller (based on feedback linearization) stabilizes the roll and pitch motion and regulates the altitude at a desired value. The outer controller manipulates the values of the desired roll and pitch angles in order to regulate the displacement along the horizontal plane. This is achieved sacrificing the controllability of the yaw angle, which does not compromise vehicle safety, but only limits the ability for the vehicle to point any visual sensor in a desired direction.

I quadrirotori sono piccoli velivoli sospinti da quattro rotori e tipicamente progettati per essere usati come velivoli autonomi, ovvero velivoli che possono compiere una missione senza l’aiuto diretto dell’uomo. Per poter volare autonomamente devono fare affidamento su: sensori che forniscono l’informazione riguardo l’ambiente circostante o gli stati interni del sistema, attuatori che realizzano fisicamente il moto e controllore che pilota gli attuatori in base alle misure e alla missione che deve essere portata a termine. Sia i sensori sia gli attuatori, tuttavia, possono essere soggetti a guasti ed `e importante che il velivolo possa essere controllato anche quando essi si verificano. La presente tesi cerca di risolvere due problemi inerenti la capacit`a del quadrirotore di gestire i guasti: individuazione di guasti sui sensori o sugli attuatori e sviluppo di una legge di controllo stabilizzante che permetta al velivolo di rimanere in volo anche in caso di perdita di un attuatore. L’individuazione dei guasti su sensori o attuatori `e implementata mediante lo sviluppo di un modulo diagnostico basato su un generatore di residui e un blocco di logica decisionale. Il generatore di residui si fonda su un osservatore non lineare (osservatore di Thau) che confronta i segnali da esso generati con quelli provenienti dai sensori. I segnali risultanti sono valutati dalla logica decisionale, che integra al suo interno una politica di soglie adattative. Grazie al modo in cui `e costruito, il modulo pu`o essere applicato ad un’ampia classe di veicoli autonomi e non solo al velivolo quadrirotore. La legge di controllo in caso di perdita di un attuatore `e sviluppata secondo un’architettura a doppio loop. Il controllore interno (basato su feedback linearization) stabilizza il moto di rollio e beccheggio e regola l’altezza ad un valore desiderato. Il controllore esterno manipola i valori desiderati degli angoli di rollio e beccheggio per poter controllare il posizionamento lungo il piano orizzontale. Ci`o pu`o essere fatto solo sacrificando la controllabilit`a dell’angolo di imbardata, che non compromette la sicurezza del velivolo, ma ne limita la capacit`a di puntare un sensore di visione nella direzione desiderata.