کنترل یک کوادروتور مجهز به بازوی رباتیک بر اساس تخمین اغتشاش

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه تهران

2 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تهران

3 دانشگاه تهران- دانشکده مهندسی مکانیک

4 دانشیار دانشگاه تهران

چکیده

در سال‌های اخیر، پهپادهای بدون سرنشین به علت سرعت و قابلیت مانور بیشتر نسبت به وسایل نقلیه زمینی در بسیاری از کشورها در زمینه‌های نظامی، صنعتی و تحقیقات علمی محبوبیت زیادی به دست آورده‌اند. پژوهش حاضر به سیستمی مرکب از یک کوادروتور (پهپاد چهارملخه) و یک بازوی رباتیک سری می‌‌‌پردازد. هدف از ابداع پهپاد‌های دارای بازوی رباتیک ترکیب چابکی و انعطاف‌پذیری پهپادهای چند ملخه و مهارت بازوهای رباتیک است. در این مقاله هدف ارائه‌ی یک الگوریتم تخمین-کنترل برای دستیابی به ردیابی مسیر برای کوادروتور و مجری نهایی است. به این منظور ابتدا سینماتیک و دینامیک کوادروتور با استفاده از کواترنیون و معادلات نیوتون-اویلر استخراج می‌‌‌شود. سپس یک بازوی رباتیک سه درجه آزادی که به زیر کوادروتور متصل می‌‌‌شود در نظر گرفته شده و معادلات آن با استفاده از الگوریتم بازگشتی نیوتون-اویلر نوشته می‌‌‌شود. به منظور کنترل کوادروتور از دو حلقه‌‌‌ی داخلی و خارجی، به ترتیب برای جهت گیری کوادروتور و موقعیت آن استفاده می‌‌‌شود. گشتاور وارد به کوادروتور ناشی از حرکت بازوی رباتیک یا اعمال نیرو به آن توسط یک فیلتر کالمن تخمین زده شده و به حلقه‌‌‌ی کنترل داخلی کوادروتور داده می‌‌‌شود. همچنین نیروی وارد به کوادروتور ناشی از عملکرد بازو نیز تخمین زده شده و توسط حلقه‌ی خارجی جبران می‌شود. برای ردیابی مسیر توسط مجری نهایی بازو از یک الگوریتم سینماتیک معکوس استفاده شده است. سیستم مرکب شامل کوادروتور و بازو به منظور اطمینان از صحت عملکرد با انجام ماموریت‌‌‌های مختلف شبیه‌‌‌سازی می‌‌‌شود. نتایج شبیه‌‌‌سازی با یک پژوهش قبلی مقایسه می‌‌‌شود که نشان‌‌‌دهنده‌‌‌ی بهبود عملکرد الگوریتم ارائه شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Control of a Quadrotor Equipped with Robotic Arm Based on Disturbance Estimation

نویسندگان [English]

  • Hossein Shamsollahi 1
  • Fateme Rekabi 2
  • Farzad A. Shirazi 3
  • Mohammad J. Sadigh 4
1 School of Mechanical Engineering, College of Engineering, University of Tehran
2 School of Mechanical, Engineering, College of Engineering, University of Tehran
3 School of Mechanical Engineering, College of Engineering, University of Tehran
4 Associate professor, School of Mechanical Engineering, University of Tehran
چکیده [English]

In recent years, unmanned vehicles especially unmanned aerial vehicles have become very popular in many countries in the military, industrial and scientific research fields because of their high speed and maneuverability. This research investigates a compound system consisting of a quadrotor and a series of a robotic manipulators. Joining these two systems aims at combining the agility and flexibility of multi-rotor unmanned aerial vehicles and the dexterity of robotic arms. This combination makes unmanned aerial vehicles able to perform more complicated tasks. In this thesis, the first kinematics and dynamics of a quadrotor are written using quaternion and Newton-Euler equations. Next, a 3-degree of freedom robotic arm that is connected to the bottom of a quadrotor is considered and its kinematics and dynamics are derived using Newton-Euler recursive algorithm. To control the quadrotor, two inner-outer loops are used for its orientation and position respectively. Toque due to arm operation or exerted force to its end effector is estimated using Kalman filter and is fed into quadrotor inner control loop. For trajectory tracking of an arm end effector, an inverse kinematic algorithm is used. The compound system including unmanned aerial vehicles and arm is simulated with different scenarios to verify its performance.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Unmanned aerial manipulator
  • Aerial manipulation
  • Aerial robot
  • Disturbance estimation
[1] A. Hern, Amazon claims first successful Prime Air drone delivery, in, the Guardian, 2016. Available: https://www.theguardian.com/technology/2016/dec/14/amazon-claims-first-successful-prime-air-drone-delivery.
[2] F. Ruggiero, V. Lippiello, A. Ollero, Aerial manipulation: A literature review, IEEE Robotics and Automation Letters, 3 (2018) 1957-1964.
[3] A. Nedjati, B. Vizvari, G. Izbirak, Post-earthquake response by small UAV helicopters, Natural Hazards, 80 (2016) 1669-1688.
[4] I. Maza, F. Caballero, J. Capitán, J.R. Martínez-De-Dios, A. Ollero, Experimental results in multi-UAV coordination for disaster management and civil security applications, Journal of Intelligent and Robotic Systems: Theory and Applications, 61 (2011) 563-585.
[5] R. Amin, L. Aijun, S. Shamshirband, A review of quadrotor UAV: Control methodologies and performance evaluation, International Journal of Automation and Control, 10 (2016) 87-103.
[6] F. Rekabi, F.A. Shirazi, M.J. Sadigh, Adaptive-Nonlinear H∞ Hierarchical Algorithm For Quadrotor Position Tracking, in:  Proceedings of the 6th RSI International Conference on Robotics and Mechatronics, IcRoM 2018, 2019, pp. 12-17.
[7] F. Rekabi, F.A. Shirazi, M.J. Sadigh, M. Saadat, Nonlinear H∞ Measurement Feedback Control Algorithm for Quadrotor Position Tracking, Journal of the Franklin Institute, 357 (2020) 6777-6804.
[8] J.U.A. MUÑOZ, Modeling and control of VTOL vehicles with rigid manipulators, University of Grenoble, Phd Dissertation, 2017.
[9] A. Ollero, J. Cortes, A. Santamaria-Navarro, M.A. Trujillo Soto, R. Balachandran, J. Andrade-Cetto, A. Rodriguez, G. Heredia, A. Franchi, G. Antonelli, K. Kondak, A. Sanfeliu, A. Viguria, J.R. Martinez-de Dios, F. Pierri, The AEROARMS Project: Aerial Robots with Advanced Manipulation Capabilities for Inspection and Maintenance, IEEE Robotics & Automation Magazine, 25(4) (2018) 12-23.
[10] S. Kannan, S. Bezzaoucha, S.Q. Guzman, J. Dentler, M.A. Olivares-Mendez, H. Voos, Hierarchical control of aerial manipulation vehicle, in:  AIP Conference Proceedings, 2017.
[11] P. Castillo, A. Dzul, R. Lozano, Real-Time Stabilization and Tracking of a Four-Rotor Mini Rotorcraft, IEEE Transactions on Control Systems Technology, 12 (2004) 510-516.
[12] F. Kendoul, I. Fantoni, R. Lozano, Modeling and control of a small autonomous aircraft having two tilting rotors, in:  Proceedings of the 44th IEEE Conference on Decision and Control, and the European Control Conference, CDC-ECC '05, 2005, pp. 8144-8149.
[13] B.L. Stevens, F.L. Lewis, E.N. Johnson, Aircraft control and simulation: Dynamics, controls design, and autonomous systems: Third edition, 2015.
[14] J. J. Craig, Introduction to robotics: Mechanics and control, Upper Saddle River: Pearson, 2005.
[15] J. Alvarez-Munoz, N. Marchand, J.F. Guerrero-Castellanos, J.J. Tellez-Guzman, J. Escareno, M. Rakotondrabe, Rotorcraft with a 3DOF Rigid Manipulator: Quaternion-based Modeling and Real-time Control Tolerant to Multi-body Couplings, International Journal of Automation and Computing, 15 (2018) 547-558.
[16] J.U. Álvarez-Muñoz, N. Marchand, F. Guerrero-Castellanos, S. Durand, A.E. Lopez-Luna, Improving control of quadrotors carrying a manipulator arm, XVI Congreso Latinoamericano de Control Automático (CLCA 2014),  (2014) 6--p.
[17] B. Alsadik, Kalman Filter, in: Adjustment Models in 3D Geomatics and Computational Geophysics, 2019, pp. 299-326.
[18] D. Simon, Optimal State Estimation: Kalman, H Infinity, and Nonlinear Approaches, 1st ed., Wiley-Interscience, 2006.
[19] B. Zhao, B. Xian, Y. Zhang, X. Zhang, Nonlinear robust sliding mode control of a quadrotor unmanned aerial vehicle based on immersion and invariance method, International Journal of Robust and Nonlinear Control, 25 (2015) 3714-3731.