Safety-Critical Control for Aerial Physical Interaction in Uncertain Environment

要約

環境との安全な物理的相互作用のための空中操作は、ロボット研究で大きな勢いを獲得しています。
この論文では、静的構造と動的構造の両方と相互作用する完全に作動した空中マニピュレーターのための妨害と観測者ベースの安全性批判的な制御を提示します。
私たちのアプローチは、車両のポーズの望ましい軌跡を動的に調整する安全フィルターに集中し、空中マニピュレーターのダイナミクス、外乱観測者の構造、および運動推力制限を占めています。
提案された安全フィルターが、外乱推定エラーが存在する場合でも、運動推力制限を表す安全セットの前方の不変性を保証することを厳密に証明します。
航空物理的相互作用のための既存の制御戦略に対する方法の優位性を実証するために、静的構造に押し付けたり、電気ソケットにしっかりと取り付けられたプラグを引っ張ったりするなど、複雑なタスクを含む比較実験を実行します。
さらに、突然の動的な変化を伴うシナリオでの再現性を強調するために、可動カートを押してソケットからプラグを抽出するという繰り返しのテストを実行します。
これらの実験は、我々の方法が既存の方法を上回るだけでなく、迅速な動的なバリエーションでタスクの処理にも優れていることを確認しています。

要約(オリジナル)

Aerial manipulation for safe physical interaction with their environments is gaining significant momentum in robotics research. In this paper, we present a disturbance-observer-based safety-critical control for a fully actuated aerial manipulator interacting with both static and dynamic structures. Our approach centers on a safety filter that dynamically adjusts the desired trajectory of the vehicle’s pose, accounting for the aerial manipulator’s dynamics, the disturbance observer’s structure, and motor thrust limits. We provide rigorous proof that the proposed safety filter ensures the forward invariance of the safety set – representing motor thrust limits – even in the presence of disturbance estimation errors. To demonstrate the superiority of our method over existing control strategies for aerial physical interaction, we perform comparative experiments involving complex tasks, such as pushing against a static structure and pulling a plug firmly attached to an electric socket. Furthermore, to highlight its repeatability in scenarios with sudden dynamic changes, we perform repeated tests of pushing a movable cart and extracting a plug from a socket. These experiments confirm that our method not only outperforms existing methods but also excels in handling tasks with rapid dynamic variations.

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