Control of a suspended aerial platform for contact-based applications

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Steuerung von flugfähigen Robotern, die in den letzten Jahren aufgrund ihrer vielfältigen Anwendungen in Bereichen wie Inspektion, Wartung, Warenlieferung und Bauwesen erhebliche Fortschritte gemacht haben. Das Hauptziel ist die Bereitstellung einer simulativen Anwendung zur präzisen Multitasking-Steuerung einer schwebenden Luftplattform mit einemmontierten Roboterarm. Die fliegende Plattform (z.B. eine Drohne) ist an einem Kranmontiert, wobei der Hauptfokus darauf abzielt, eine Ganzkörper-Nachgiebigkeitssteuerung während physischer Interaktionen in der Luft in unbekannten Umgebungen zu erreichen. Basierend auf einer umfangreichen Recherche über fliegende Plattformen, konzentriert sich die Arbeit auf Methoden der Nachgiebigkeitsregelung für fliegende Manipulatoren bei physischen Interaktionen mit ihrer Umgebung. Besonderes Interesse gilt dabei der Maximierung der vom Endeffektor ausgeübten Kraft, insbesondere in Situationen, in denen ein Kontakt mit einer unbekannten Umgebung besteht. Zu diesem Zweck wird ein präzises Optimierungsproblem formuliert und im Detail untersucht. Alle Konzepte werden einem detaillierten Prüfungsprozess unterzogen, um ihre Effizienz und Effektivität sicherzustellen. Die Ganzkörpersteuerung ist hierarchisch implementiert und belegt in verschiedenen Experimenten die Fähigkeit, mehrere Aufgaben gleichzeitig auszuführen. Die Hierarchie spiegelt sich in der Ausführung der Aufgaben wieder. Aufgabe 1 erhält die höchste Priorität und die anderen Aufgaben operieren im jeweiligen Nullraum, um eine Beeinflussung von Tasks mit höherer Priorität zu vermeiden. Der Regler ist in der Lage, die Aufgaben so zu steuern, dass sie in allen Experimenten konvergieren. Darüber hinaus werden äußere Einflüsse wie Kräfte und Drehmomente kompensiert, während das Regelsystem weiterhin in der Lage ist, die gewünschten Aufgaben erfolgreich auszuführen. Der Optimierer wird eingesetzt, um die Kraft am Endeffektor beliebig zu maximieren. Die Limits des Optimierers werden experimentell erforscht, um eine effiziente Leistung zu gewährleisten. In Bezug auf die Softwareentwicklung wird ein Framework implementiert, das einen einfachen Austausch des Roboterarms ermöglicht. Dies erlaubt die mühelose Integration eines neuen Roboterarms in die Simulation und gewährleistet die effiziente Nutzung unterschiedlicher Robotermodelle und Parameter in simulationsbasierten Anwendungen. Zusammenfassend ist hervorzuheben, dass sowohl der Optimierer als auch der Regler die gewünschte Trajektorie der Aufgaben präzise und zuverlässig ausführen und dabei nicht nur die Kräfte am Endeffektor maximieren, sondern auch externe Kräfte effizient unterdrücken.

This thesis is focused on the ongoing development in aerial robotic manipulation, which has made significant progress in recent years due to its diverse applications in areas such asinspection, maintenance, goods delivery and construction. The main purpose is to provide a simulated demonstration of precise multitask control of a suspended aerial platformwith an attached robotic arm. The aerial platform (e.g. a multirotor or multicopter)is mounted from a crane and the focus is on achieving whole-body compliance controlduring aerial physical interactions with unknown environments.Starting with an extensive literature review on aerial platforms, the thesis focuses on compliance control methods for aerial manipulators in physical interactions with their environment. Additionally, particular interest is given to the maximization of the force exerted from the endeffector, especially in situations involving contact with an unknown environment. For this purpose, a precise optimization problem is formulated and investigated in detail. All concepts are subjected to a detailed examination process to ensure their efficiency and effectiveness, which is reflected in the experiments.The whole-body controller, implemented as a hierarchical controller, demonstrates the ability to perform several tasks simultaneously in various experiments. The hierarchy is reflected in the execution of the tasks by giving the highest priority to task 1, while the other tasks operate in the respective null-space in order to avoid influencing tasks with higher priority. The controller is able to control the tasks in such a way tha tthey converge in all experiments. Furthermore, external influences such as forces and torques are compensated whilst the control system is still able to perform the desired tasks successfully. The optimizer is used to maximize the force at the endeffector in any dimension, along all directions or predefined directions. The limits of the optimizer havebeen explored experimentally to ensure efficient performance.In terms of software framework, different modules have been implemented that enable an easy exchange of the robot arm. This allows effortless integration of a new robot arm into the simulation and ensures the efficient use of different robot models and parameters in simulation-based applications.Summarizing, both the optimizer and the controller perform the desired trajectory of the robot tasks precisely and reliably, not only maximizing the forces at the endeffector, but also efficiently suppressing external forces. Thus, the whole-body control provides fast and robust performance while the optimizer maximizes the force at the endeffector.