Autonomous Hook-Based Grasping and Transportation with Quadcopters

要約

クアッドコプターによるペイロードの把握と輸送は、過去 10 年間で急速に発展した活発な研究分野です。
人間の介入なしにペイロードを把握するために、ほとんどの最先端のアプローチでは、クアッドコプター本体に取り付けられたロボット アームが適用されます。
ただし、これらの空中マニピュレーターは重量と消費電力が大きいため、機敏性と飛行時間には限界があります。
本稿では、1自由度回転ジョイントを使用してクアッドローターに取り付けられたフックからなる軽量の受動マニピュレータ構造を使用した、輸送のための運動制御および計画手法を提案します。
ペイロードの把握、輸送、および解放を実行するには、まず、タスクを迅速かつ確実に実行できるように、特定のウェイポイントを介して時間的に最適な基準軌道が設計されます。
次に、正確かつ信頼性の高い基準追跡のための堅牢な幾何学的コントローラと、ペイロードスイングの設定値を迅速に安定化するための線形二次ペイロードレギュレータに基づいて、2 段階のモーション制御アプローチが開発されます。
さらに、閉ループ システムの安定性は数学的に証明されており、その動作の安全性が保証されています。
提案された制御アーキテクチャと設計は、高忠実度の物理シミュレータで評価され、また、カスタムメイドのクアッドローターとフック マニピュレータのプラットフォームを使用した実際の飛行実験でも評価されます。

要約(オリジナル)

Payload grasping and transportation with quadcopters is an active research area that has rapidly developed over the last decade. To grasp a payload without human interaction, most state-of-the-art approaches apply robotic arms that are attached to the quadcopter body. However, due to the large weight and power consumption of these aerial manipulators, their agility and flight time are limited. This paper proposes a motion control and planning method for transportation with a lightweight, passive manipulator structure that consists of a hook attached to a quadrotor using a 1 DoF revolute joint. To perform payload grasping, transportation, and release, first, time-optimal reference trajectories are designed through specific waypoints to ensure the fast and reliable execution of the tasks. Then, a two-stage motion control approach is developed based on a robust geometric controller for precise and reliable reference tracking and a linear–quadratic payload regulator for rapid setpoint stabilization of the payload swing. Furthermore, stability of the closed-loop system is mathematically proven to give safety guarantee for its operation. The proposed control architecture and design are evaluated in a high-fidelity physical simulator, and also in real flight experiments, using a custom-made quadrotor–hook manipulator platform.

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