Image-based Visual Servo Control for Aerial Manipulation Using a Fully-Actuated UAV

要約

無人航空機 (UAV) を使用して、単なる受動的視覚アプリケーションを超えた高高度操作タスクを実行すると、人間の作業者の時間、コスト、リスクを削減できます。
航空操作に関するこれまでの研究は、グラウンド トゥルース ステート推定またはいくつかの同時位置特定およびマッピング (SLAM) アルゴリズムを備えた GPS/トータル ステーションのいずれかに依存していましたが、これは劣化した GPS 信号や特徴のない環境を使用するインフラストラクチャに近い多くのアプリケーションにとっては実用的ではない可能性があります。
ビジュアルサーボにより、ロボットの姿勢を推定する必要がなくなります。
空中操作のための視覚サーボに関する既存の研究は、エンドエフェクターの位置制御のみに対処するか、または正確な速度測定と既知のパターンを持つ事前定義された視覚的視覚マーカーに依存するかのいずれかです。
さらに、これまでの研究のほとんどは作動が不十分な UAV を使用していたため、エンドエフェクターの機械設計、ひいては制御設計が複雑になりました。
この論文では、完全に作動する UAV を使用した橋梁メンテナンスのための画像ベースのビジュアル サーボ制御戦略を開発します。
主なコンポーネントは、(1) 視線検出および追跡システム、(2) ハイブリッド インピーダンス フォースおよびモーション コントロール システムです。
私たちのアプローチは、外部位置特定システムや事前定義された視覚マーカーからのロボットの姿勢/速度推定のいずれにも依存しません。
完全に作動する性質により、機械システムとコントローラーのアーキテクチャの複雑さも最小限に抑えられます。
実験の結果、このシステムは橋梁塗装の視覚的なガイダンスのみを使用して、動作追跡と力保持を効果的に実行できることが示されました。
私たちの知る限り、これは、外部の姿勢/速度情報や事前定義された視覚的誘導を必要とせずに、動きと力の制御の両方を達成できる視覚サーボを使用した空中操作に関する最初の研究の 1 つです。

要約(オリジナル)

Using Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) to perform high-altitude manipulation tasks beyond just passive visual application can reduce the time, cost, and risk of human workers. Prior research on aerial manipulation has relied on either ground truth state estimate or GPS/total station with some Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) algorithms, which may not be practical for many applications close to infrastructure with degraded GPS signal or featureless environments. Visual servo can avoid the need to estimate robot pose. Existing works on visual servo for aerial manipulation either address solely end-effector position control or rely on precise velocity measurement and pre-defined visual visual marker with known pattern. Furthermore, most of previous work used under-actuated UAVs, resulting in complicated mechanical and hence control design for the end-effector. This paper develops an image-based visual servo control strategy for bridge maintenance using a fully-actuated UAV. The main components are (1) a visual line detection and tracking system, (2) a hybrid impedance force and motion control system. Our approach does not rely on either robot pose/velocity estimation from an external localization system or pre-defined visual markers. The complexity of the mechanical system and controller architecture is also minimized due to the fully-actuated nature. Experiments show that the system can effectively execute motion tracking and force holding using only the visual guidance for the bridge painting. To the best of our knowledge, this is one of the first studies on aerial manipulation using visual servo that is capable of achieving both motion and force control without the need of external pose/velocity information or pre-defined visual guidance.

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