Dynamics and Control Problems of Novel Aerial Manipulation Systems with Rotor Actuation

Abstract

In this thesis, we deal with dynamics and control problems of novel aerial manipulation systems with rotor actuation. Aerial manipulation systems include: 1) drone equipped with robotic arm inheriting flying capability of multi-rotor drone while it also inherits versatile manipulation capability from robotic arm; and 2) distributed rotor-based vibration suppression system which is developed to manipulate and transport of long flexible load by distributing scalable modules along with the load with onboard sensing capability.

The drone-manipulator system is inherited under-actuated property of conventional multi-rotor drone and a high degree of freedom of robotic manipulator while the system dynamics are fully coupled between these two subsystems. To deal with this under-actuated nonlinear dynamics, we reveal an underlying structure of the nonlinear drone-manipulator dynamics, which can substantially facilitate the control design and analysis by applying passive decomposition. We show that the Lagrange dynamics of drone-manipulator systems can be completely decoupled into: 1) the center-of-mass dynamics in E(3), which, similar to the standard drone dynamics, is point-mass dynamics with under-actuation and gravity effect; and 2) the internal rotational dynamics of the drones rotation and manipulator configuration, which assumes the form of standard Lagrange dynamics of a robotic manipulator with full-actuation and no gravity effect. Relying on this structure, we propose a novel backstepping-like end-effector tracking control law, which can allow us to assign different roles for the center-of-mass control and for the internal rotational dynamics control according to task objectives.

In the second part, RVM (Robot-based Vibration Suppression Modules) is proposed for the manipulation and transport of a large flexible object. Since the RVM is designed to be easily attachable/detachable to the object, this RVM allows distributing over the manipulated object so that it is scalable to the object size. The composition of the system is partly motivated by the MAGMaS (Multiple Aerial-Ground Manipulator System), however, since the multirotor-drone usage is mechanically too complicated and its design is not optimized for manipulation, thus we overcome these limitations using distributed RVMs and newly developed theory. For this, we first provide a constrained optimization problem of RVM design with the minimum number of rotors, so that the feasible thrust force is maximized while it minimizes undesirable wrench and its own weight. Then, we derive the full dynamics and elucidate a controllability condition with multiple distributed RVMs and show that even if multiple, their structures turn out similar to composed with a single multi-rotor drone. We also elucidate the optimal placement of the RVM via the usage of LQG (Linear Quadratic Gaussian) framework.

본 학위논문에서는 로터로 구동되는 새로운 공중조작 시스템의 동역학과 제어문제에 대해서 기술한다. 본 논문에서 기술하는 새로운 공중조작 시스템은 1)드론과 로봇팔을 결합한 드론-매니퓰레이터 시스템과 2) 유연성을 갖는 물체의 진동저감을 위한 로터기반 진동저감 모듈이며, 각각의 공중조작 시스템의 동역학 해석과 제어기법에 대해 기술한다.

드론-매니퓰레이터 시스템의 구동부족 문제와 높은 자유도의 비선형 동역학 문제를 해결하기 위해 수동성기반 동역학 분할기법을 적용하여 일반적인 다중로터 드론의 구동부족 동역학과 같은 형태의 전체 시스템 무게중심의 병진운동 동역학과, 일반적인 완전 구동 로봇팔의 동역학과 같은 로봇 동역학으로 구성된 전체시스템의 회전 동역학으로 나누어짐을 보였으며 이 동역학 구조를 활용한 단일 및 다중 드론-매니퓰레이터의 협조제어기법을 제시하였다.

다음으로 로터구동에 기반한 진동저감 모듈 연구에서는 진동 저감을 위한 최소한의 로터를 가지며, 원하는 방향으로 최대한의 힘과 진동저감에 방해되는 최소한의 토크를 가지도록하는 최적설계 방법을 제안하였다. 이를 바탕으로 유연성을 갖는 물체위에 손쉽게 탈부착이 가능하며, 다양한 물체의 크기에 적용이 가능한 확장성을 확보하였으며, 탑재된 온보드 센서를 통해 물체의 변형 측정이 가능하도록 하였다. 진동저감을 위한 물체와 모듈이 결합되었을때의 동역학 해석 및 제어 가능성에 대하여 해석하였으며, 여러개의 모듈을 배치하였을때 제어와 추정을 최적화 하는 방법을 제시하였다. 마지막으로 관련된 시뮬레이션과 실험결과를 제시한다.