Architecture and Control design of a legged quadrotor for landing on sloped surfaces

This study aims to optimize the landing operation of a quadcopter on a sloped surface, a condition that is usually unfeasible for standard quadcopters. Starting from a previous research, a redesign of the landing structure has been performed. The goal of the new design is to allow a safe landing on an inclined surface characterized by high slope. To ensure a lighter structure, so that the flying capabilities of the quadrotor are not significantly compromised and with the purpose of optimization, only one actuator has been used for moving the landing skids. The initial phase of the study focused on the design of the structure, the mechanisms for its movement, and the positioning of the motor. An analysis to assess the optimality of the solution was conducted in MATLAB environment. This analysis involved mathematical functions relating the slope of the landing surface, the angular range of motion of the skids and the limits imposed to avoid the collision between the drone body and the landing surface. The second phase concentrated on the development of a software for drone control using ROS2. This consisted in designing nodes to control the drone movement, the skids movement and perform the slope detection. The slope detection was performed with a Time of Flight (ToF) sensor positioned along the drone heading direction, facing downward. To verify the efficiency of the solution the algorithms have been tested in the Gazebo simulation environment.

Questo studio nasce con l’obbiettivo di ottimizzare l’atterraggio di un drone su una superfice inclinata, condizione normalmente avversa all’atterraggio di droni standard. Partendo da uno studio precedentemente condotto, è stata effettuata una revisione del sistema di atterraggio con lo scopo di massimizzarne l’efficienza e incrementare l’inclinazione raggiungibile in una condizione di atterraggio in sicurezza. Per la movimentazione dei pattini per l’atterraggio è stato utilizzato un solo attuatore, con lo scopo di alleggerire il più possibile la struttura, senza compromettere significativamente le capacità di volo del drone. La prima parte dello studio ha riguardato il design della struttura di atterraggio, la scelta dei meccanismi di movimentazione di quest’ultima ed il posizionamento del motore sul corpo del drone. Sono state condotte verifiche per l’ottimalità della soluzione scelta in ambiente matlab, valutando funzioni che legano l’inclinazione del piano di atterraggio, le escursioni angolari richieste per i pattini di atterraggio, e i limiti imposti dalla collisione del drone con il piano di atterraggio. La seconda fase dello studio è consistita nella simulazione in ambiente gazebo dell’atterraggio. Realizzando nell’ambiente ROS 2 nodi per la gestione del volo, per la movimentazione delle gambe, e per la lettura dei sensori. Il drone infatti, essendo dotato di un sensore TOF, permette di poter rilevare l’inclinazione del piano e la sua direzione, così da poter allineare il drone in modo concorde per effettuare l’atterraggio.