Title Control system for an unmanned aerial manipulator interacting with the environment based on a generalized model Title (croatian) Sustav upravljanja bespilotnim zračnim manipulatorom u interakciji s okolinom zasnovan na poopćenom modelu Author Marko Car Mentor Stjepan Bogdan (mentor)Mentor Mirko Kovač (komentor) Committee member Matko Orsag (predsjednik povjerenstva)Committee member Zdenko Kovačić (član povjerenstva)Committee member Petar Piljek (član povjerenstva)Committee member Adnan Tahirović Committee member Tomislav Radišić (član povjerenstva)Granter University of Zagreb Defense date and country 2023, Croatia Scientific / art field, TECHNICAL SCIENCES Universal decimal classificationUDC ) 621.3 - Electrical engineering Abstract This thesis develops a control framework for a generalized unmanned aerial vehicle (UAV), enabling full 6 DoF control of the vehicle, as well as stable execution of contact based tasks, such as environment manipulation, contact based inspection or transport of fragile payload. The generalized UAV model developed within this thesis considers three different control modalities, namely the classical rotor thrust amplitude, rotor thrust direction, and centroid variation actuators. A unified non-linear model is derived for a vehicle with these actuator systems, regardless of their hardware implementation details and other parameters. The model also has a capability of generalization to vehicles with any subset of the considered actuation systems, by parametrization or fixing of the unused controlled variables to a fixed value. The developed generalized model is used for extensive analysis of the influence of different mechanical and dynamic parameters of UAV hardware components on the UAV dynamics. The analysis included Bode analysis, root locus and Hurwitz stability analysis. The analysis results can be used in the procedure of a custom UAV design, depending on the system requirements.
Several control concepts are proposed in this thesis, based on the linearized version of the derived nonlinear UAV model, that unify the different actuation systems, and enable stable 6 DoF control depending on the UAV task. The attitude control is based on the classical approach using rotor magnitude variation. UAV position controllers are developed using rotor thrust direction variation, and a combination of rotor thrust direction variation with centroid variation. The combination is based on a mid-ranging controller in a control scheme known as Valve Position Control (VPC). In the VPC scheme, one actuation system is considered as a fast-response actuator (small valve) that compensates the disturbances and responds to reference changes. The other actuation system is considered a slow-response actuator (the large valve), that enables returning of the fast valve to the mid of it's working range. In this thesis, rotor thrust direction variation is considered as the fast actuation system, and the centroid variation is considered as the slow one in UAV position control.
Fully actuated UAV control in all 6 degrees of freedom enables development of more elaborate and complex controllers. In this thesis an impedance controller is developed for stable interaction of an unmanned aerial manipulator with the environment. The controller is based on the classical impedance control, but relaxes its requirements for accurate environment modelling. Namely, relying on precise environment position estimate, the controller is equipped with an adaptation mechanism that enables simultaneous estimation of environment stiffness, and precise force reference tracking. The adaptation mechanism is derived using Lyapunov stability criteria. This controller enables precise and compliant execution of complex tasks that involve robotic interaction with the environment, as the results of experimental validation on different robotics platforms show in this thesis.
The following original scientific contribution is achieved with this thesis:
• A generalized unmanned aerial manipulator model unifying actuation concepts based on centre of mass variation, rotor thrust direction and amplitude,
• Unmanned aerial manipulator control method based on the generalized model,
• Impedance control system for stable interaction of unmanned aerial manipulator with the environment based on the generalized model.
Abstract (croatian) Ovom disertacijom predložen je okvir za upravljanje bespilotnim zračnim manipulatorom omogućujući potpuno upravljanje, odnosno upravljanje svih 6 stupnjeva slobode bespilotnog zračnog manipulatora. Ujedno je predložena metoda za stabilno izvođenje zadataka koji zahtijevaju kontakt s okolinom, poput prikup predmeta, inspekcije temeljene na kontaktu ili prijevoza krhkog tereta. Generalizirani model bespilotnog zračnog manipulatora razvijen unutar ove teze razmatra tri različita načina upravljanja, točnije klasičnu upravljanjem varijacijom amplitude potiska rotora, zatim upravljanje varijacijom smjera potiska rotora i upravljanje varijacijom položaja centra mase. Izveden je jedinstveni nelinearni model za vozilo sa spomenutim principima upravljanja. Model ima mogućnost generalizacije na vozila s bilo kojim podskupom razmatranih aktuacijskih sustava, parametrizacijom ili postavljanjem nepotrebnih kontroliranih varijabli na fiksnu vrijednost. Razvijeni generalizirani model koristi se za opsežnu analizu utjecaja različitih mehaničkih i dinamičkih parametara komponenata bespilotnog zračnog manipulatora na dinamiku sustava. Analiza uključuje Bodeovu analizu, analizu krivulje mjesta korijena i analizu stabilnosti Hurwitz. Rezultati analize mogu se koristiti u postupku projektiranja prilagođenog bespilotnog zračnog manipulatora, ovisno o zahtjevima sustava.
Predloženi su različiti principi upravljanja temeljeni na lineariziranoj verziji izvedenog nelinearnog modela bespilotnog manipulatora, koji objedinjuju različite principe aktuacije i omogućuju stabilno upravljanje svih 6 stupnjeva slobode. Upravljanje orijentacijom temelji se na klasičnom pristupu korištenjem varijacije amplitude potiska rotora. Upravljanje pozicijom bespilotnog zračnog manipulatora razvijeno je korištenjem varijacije smjera potiska rotora i kombinacije varijacije smjera potiska rotora s varijacijom položaja centra mase. Kombinacija se temelji na upravljanju poznatom kao VPC. U VPC shemi, jedan aktuacijski sustav smatra se brzim odzivnim aktuatorom (mali ventil) koji kompenzira smetnje i reagira na promjene referentnih vrijednosti. Drugi aktuacijski sustav smatra se sporim odzivnim aktuatorom (veliki ventil), koji omogućuje povratak brzog ventila u sredinu radnog raspona. U ovoj disertaciji varijacija smjera potiska rotora smatra se brzim aktuacijskim sustavom, a varijacija položaja centra mase smatra se sporim.
Upravljanje sa svih 6 stupnjeva slobode bespilotnog zračnog manipulatora omogućuje razvoj složenijih i kompleksnijih upravljačkih algoritama. U sklopu ove disertacije razvijeno je upravljanje impedancijom kako bi se postigla stabilna interakcija bespilotnog zračnog manipulatora i okoline. Upravljanje se temelji na klasičnom upravljanju impedancije, ali bez potrebe za prezicnom informacijom o pramametrima okoline. Naime, oslanjajući se na preciznu procjenu položaja okoline, upravljanje sadrži mehanizam prilagodbe koji omogućuje istovremenu procjenu tvrdoće okoline i precizno praćenje referentne sile. Mehanizam prilagodbe izveden je koristeći kriterije Lyapunovove stabilnosti. Ovakvo upravljanje omogućuje precizno i prilagodljivo izvođenje složenih zadataka koji uključuju robotsku interakciju s okolinom.
Sljedeći originalni znanstveni doprinos postignut je ovim radom:
• Poopćeni model bespilotnog zračnog manipulatora koji objedinjuje aktuaciju pomicanjem centra mase te promjenom smjera i iznosa potiska rotora,
• Metoda upravljanja bespilotnim zračnim manipulatorom zasnovana na poopćenom modelu,
• Sustav upravljanja impedancijom bespilotnog zračnog manipulatora za stabilnu interakciju s okolinom zasnovan na poopćenom modelu.
Keywords
unmanned aerial vehicle (UAV)
impendance control
adaptive control
aerial manipulation
valve position control
mathematical modeling
Keywords (croatian)
bespilotne letjelice
podatno upravljanje
adaptivno upravljanje
VPC upravljanje
zračna manipulacija
matematičko modeliranje
Language english URN:NBN urn:nbn:hr:168:919807 Study programme Title: Doctoral study programme "Electrical Engineering and Computing" Catalog URL https://publib.fer.hr/cgi-bin/koha/opac-detail.pl?biblionumber=54428 Type of resource Text Extent xvi, 143 str. File origin Born digital Access conditions Open access Terms of use Created on 2024-05-03 06:39:45
