SPACE DRONES - Design and Control of UAVs for planetary exploration

Lo studio dell'applicazione di droni per l’esplorazione planetaria risale agli inizi degli anni '70, da allora l'interesse in tale campo è andato via via intensificandosi grazie ai numerosi vantaggi che sono venuti alla luce durante tali studi. L’obiettivo di questo lavoro è lo sviluppo di un modello dinamico di un drone operante in ambiente planetario, inoltre è stata progettata una legge di controllo per il modello linearizzato. Tra i pianeti e i corpi presenti nel nostro sistema solare adatti per tali applicazioni emergono in particolare: Venere, Titano e Marte. Si è andati ad analizzare le diverse tipologie di design proposte per tutti e tre i corpi, focalizzandosi infine sulle applicazioni relative all’ambiente marziano, in quanto di forte interesse nell’ambito della ricerca, andando ad evidenziare vantaggi e svantaggi di ciascuna proposta. Tra i vari design si è identificato l’Y4-TR del Surrey Space Center come oggetto di studio, tale tipologia di drone convoglia i vantaggi dell’applicazione di rotorcraft e di aerobot ad ala fissa. Partendo da quanto svolto dall’SSC, si è andati ad investigare l’aerodinamica del corpo dell’aerobot e le prestazioni dei rotori utilizzando il software XROTOR e la Teoria dell’Elemento di Pala per i tilt-rotor e CROTOR per i rotori coassiali, arrivando a sviluppare il modello dinamico non lineare a sei gradi di libertà (6-DOF). Si è poi passati allo studio dell’ambiente marziano e all’analisi dei disturbi che potrebbero inficiare sul comportamento del drone, individuando come principale fonte di disturbo la presenza del vento e le eventuali oscillazioni dal valor medio. Per una fase di studio preliminare, si è deciso di linearizzare il modello dinamico intorno alle condizioni di equilibrio relative alla fase operativa nominale, e cioè volo rettilineo orizzontale, andando a trascurare inizialmente le fasi di take-off e di transizione da hovering a volo orizzontale. A tale modello sono stati aggiunti i disturbi e, assegnata una ipotetica traiettoria da seguire, è stato progettato un controllore LQR (Linear Quadratic Regulator). I risultati mostrano che, in presenza dei disturbi implementati, la legge di controllo adottata riesce a regolare in maniera soddisfacente l’aerobot, che risulta capace di inseguire correttamente la traiettoria assegnata.