Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/9052
Title: Design, control and autonomous navigation of tilt-rotor unmanned aerial vehicles
Other Titles: Σχεδιασμός, έλεγχος και αυτόνομη πλοήγηση μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων με ρότορες μεταβαλλόμενης κλίσης
Authors: Παπαχρήστος, Χρήστος
Keywords: Unmanned aerial vechicle
Unmanned aerial system
TiltRotor
Model predictive control
Piecewise affine modeling
Hybrid model predictive control
Aerial robotic manipulation
Aerial robotic work-task execution
Thrust-vectoring
Autonomous robotic perception
Autonomous robotic navigation
Computer vision 3d perception
Aerial robotic mobile target tracking
Aerial robotic forceful physical interaction
Keywords (translated): Μη επανδρωμένο αεροσκάφος
Μη επανδρωμένο εναέριο σύστημα
Αεροσκάφος με ρότορες μεταβαλλόμενης κλίσης
Προβλεπτικός έλεγχος βάσει μοντέλου
Κατά τμήματα αφινική μοντελοποίηση
Υβριδικός προβλεπτικός έλεγχος βάσει μοντέλου
Εναέριος ρομποτικός χερισμός αντικειμένων
Εναέρια ρομποτική εκτέλεση τεχνικών εργασιών
Κατευθυνσιοδότηση διανύσματος πρόωσης
Αυτόνομη ρομποτική αντίληψη
Αυτόνομη ρομποτική πλοήγηση
Υπολογιστική 3-διάστατη όραση
Εναέρια ρομποτική ακολούθηση στόχου
Εναέρια ρομποτική ενδύναμη φυσική αλληλεπίδραση
Abstract: This Dissertation addresses the design and development of small-scale Unmanned Aerial Vehicles of the TiltRotor class, alongside their autonomous navigation requirements, including the fully-onboard state estimation, high-efficiency flight control, and advanced environment perception. Starting with an educated Computer Assisted Design-based methodology, a mechanically robust, customizable, and repeatable vehicle build is achieved, relying on high-quality Commercially Available Off-The Shelf equipment –sensors, actuators, structural components–, optionally aided by Rapid Prototyping technology. A high-fidelity modeling process is conducted, incorporating the rigid-body dynamics, aerodynamics, and the actuation subsystem dynamics, exploiting fist- principle approaches, Frequency Domain System Identification, as well as computational tools. Considering the most significant phenomena captured in this process, a more simplified PieceWise Affine system model representation is developed for control purposes –which however incorporates complexities such as flight (state) envelope-associated aerodynamics, the differentiated effects of the direct thrust-vectoring (rotor-tilting) and the underactuated (body-pitching) actuation authorities, as well as their interferences through rigid-body coupling–. Despite the switching system dynamics, and –as thoroughly elaborated– their reliance on constrained manipulated variables, to maintain a meaningful control- oriented representation, the real-time optimal flight control of the TiltRotor vehicle is achieved relying on a Receding Horizon methodology, and more specifically an explicit Model Predictive Control framework. This synthesis guarantees global stability of the switching dynamics, observance of state and control input constraints, response optimality, as well as efficient execution on low computational power modules due to its explicit representation. Accompanied by a proper Low-and-Mid-Level Control synthesis, this scheme provides exceptional flight handling qualities to the aerial vehicle, particularly in the areas of aggressive maneuvering and high-accuracy trajectory tracking. Moreover, the utility of TiltRotor vehicles in the field of aerial robotic forceful physical interaction is researched. Exploiting the previously noted properties of the PieceWise Affine systems Model Predictive Control strategy, the guaranteed-stability Free-Flight to Physical-Interaction switching of the system is achieved, effectively bringing the aerial vehicle into safe, controlled physical contact with the surface of structures in the environment. More importantly, employing rotor-tilting actuation –collectively and differentially– significant forces and moments can be applied onto the environment, while via the standard underactuated authority the vehicle maintains a stable hovering-attitude pose, where the system’s disturbance rejection properties are maximized. Overall, the complete control framework enables coming into physical contact with environment structures, and manipulating the enacted forces and moments. Exploit- ing such capabilities the TiltRotor is used to achieve the execution of physically- demanding work-tasks (surface-grinding) and the manipulation of realistically- sized objects (of twice its own mass) via pushing. Additionally, the fully-onboard state estimation problem is tackled by implementing data fusion of measurements derived from inertial sensors and custom-developed computer vision algorithms which employ Homography and Optical Flow calculation. With a proper sensorial setup, high-rate and robust ego-motion estimation is achieved, enabling the controlled aggressive maneuverability without reliance on external equipment, such as motion capture systems or Global Positioning System coverage. Finally, a hardware/software framework is developed which adds advanced autonomous perception and navigation capabilities to small-scale unmanned vehicles, employing stereo vision and integrating state-of-the art solutions for incremental environment building, dense reconstruction and mapping, and point-to-point collision-free navigation. Within this framework, algorithms which enable the detection, segmentation, (re-)localization, and mobile tracking –and avoidance– of a dynamic subject within the aerial vehicle’s operating space are developed, substantially increasing the operational potential of autonomous aircraft within dynamic environments and/or dynamically evolving missions.
Abstract (translated): Το ερευνητικό αντικείμενο της διατριβής είναι τα θέματα της μελέτης, μοντελοποίησης και ελέγχου καινοτόμων μη επανδρωμένων αεροσκαφών τύπου Tilt-Rotor καθώς και η σχεδίαση και η ανάπτυξη μιας ολοκληρωμένης πειραματικής πλατφόρμας, εξοπλισμένη με τα υποσυστήματα και το κατάλληλο σύστημα ελέγχου ώστε να έχει την ικανότητα λειτουργικής αυτονομίας. Η διεθνής έρευνα στην ευρύτερη κατηγορία των Μη Επανδρωμένων Αεροσκαφών (ΜΕΑ) έχει λάβει μεγάλη ανάπτυξη τα τελευταία χρόνια. Χάρη στα σύγχρονα τεχνολογικά επιτεύγματα υπάρχει η δυνατότητα ανάπτυξης ΜΕΑ μικρού μεγέθους αλλά υψηλής αποδοτικότητας και υπολογιστικών ικανοτήτων. Επιπροσθέτως, χάρη στην αξιοπιστία του σημερινού εξοπλισμού δίδεται η δυνατότητα σχεδίασης και υλοποίησης πλατφορμών με δυνατότητες άμεσης κατευθυνσιοδότησης των κινητήριων συστημάτων τους (Tilt-Rotor). Ακολουθώντας την ερευνητική και οικονομική ανάπτυξη του πεδίου των εφαρμογών Μη Επανδρωμένων Αεροσκαφών, η περιοχή όπου εστιάστηκε το ενδιαφέρον της Διδακτορικής Διατριβής είναι εν πρώτοις η επίτευξη εξαιρετικών ικανοτήτων πτήσης του αεροσκάφους –όσον αφορά στην ταχύτητα απόκρισης, την απόρριψη διαταραχών, στην ακρίβεια παρακολούθησης τροχιάς– κάνοντας χρήση των ανεπτυγμένων ικανοτήτων οδήγησης του αεροσκάφους μέσω απευθείας κατευθυνσιοδότησης των ρότορων του ταυτόχρονα με την καθιερωμένη λογική της υπο-ενεργοποιούμενης (underactuated) στρέψης του αεροσκάφους για προβολή του διανύσματος πρόωσης. Η μοντελοποίηση διεξήχθη βήμα-προς-βήμα, συνυπολογίζοντας την δυναμική των επενεργητών, τη δυναμική του σώματος του αεροσκάφους εν πτήσει, την επίδραση ορισμένων αεροδυναμικών παραγόντων, και τις δυναμικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των προηγουμένων υποσυστημάτων. Καταλήγοντας σε ένα υβριδικό μοντέλο, η μεθοδολογία του Προβλεπτικού Ελέγχου βάσει Μοντέλου (Model Predictive Control) υλοποιήθηκε στο πραγματικό αεροσκάφος, επιβεβαιώνοντας μέσω εκτενών πειραματικών διαδικασιών τα πλεονεκτήματα που απέφερε η προαναφερθείσα μεθοδολογία σχεδίασης, υλοποίησης και ελέγχου. Κατόπιν, προσδιορίζοντας την περιοχή της εναέριας αλληλεπίδρασης με το περιβάλλον ως επακόλουθο πεδίο ενδιαφέροντος, αναλύθηκε η ικανότητα του αεροσκάφους να έρχεται σε επαφή με το περιβάλλον του, και ενεργοποιούμενο από τη στρέψη των κυρίως ρότορων του να ασκεί σημαντικά μεγάλες δυνάμεις σε αυτό, ενώ ταυτοχρόνως να διατηρείται σε οριζόντια πτήση μέσω των υπολοίπων επενεργητών του, το οποίο αποτελεί σημείο λειτουργίας μεγιστοποίησης των δυνατοτήτων απόρριψης διαταραχών. Με βάση αυτή τη μεθοδολογία και την σύνθεση καταλλήλων ελεγκτών, καθώς και την σχεδίαση σχετικών εξαρτημάτων, το αεροσκάφος απέφερε την ικανότητα να εκτελεί τεχνικές εργασίες καθώς και να μετακινεί εμπόδια στο περιβάλλον του μέσω της άσκησης ροπών και δυνάμεων συγκρίσιμων με την ίδια τη δύναμη πρόωσης που απαιτείται για την πτήση του. Εν τέλει, εντοπίζοντας τη σύγχρονη αναγκαιότητα για ανεπτυγμένη αυτονομία στα Μη Επανδρωμένα Συστήματα καθώς εισέρχονται στην κοινωνική και οικονομική καθημερινότητα, υλοποιήθηκαν τα απαραίτητα υποσυστήματα που μπορούν να αποδίδουν ικανότητες τρισδιάστατης αντίληψης του περιβάλλοντος χώρου και χαρτογράφησής του στη ρομποτική πλατφόρμα, αλλά και της αυτόνομης σχεδίασης τροχιών που να επιτυγχάνουν την ελαχιστοποίηση της απόστασης πτήσης για πλοήγηση από σημείο σε σημείο ενώ να εγγυώνται την αποφυγή σύγκρουσης με εμπόδια στο χώρο. Βασιζόμενος σε αυτό το επίπεδο επαυξημένης λειτουργικής αυτονομίας, αναπτύχθηκαν αλγόριθμοι εντοπισμού δυναμικών υποκειμένων στον εποπτευόμενο χώρο πτήσης, οι οποίοι μπορούν εν συνεχεία να επιτυγχάνουν την παρακολούθηση του καθώς κινείται ελεύθερα στο χώρο με ταυτόχρονη κίνηση του αεροσκάφους που φέρει το σχετικό υποσύστημα. Σε αυτή τη διαδικασία, οι κινήσεις αίσθησης-και-αποφυγής ή/και αντίληψης-και-παρακολούθησης επιτυγχάνονται για δυναμικά υποκείμενα εντός του επιθυμητού σεναρίου λειτουργίας μιας αποστολής υψηλού επιπέδου. Εν συνόλω, η ακολουθούμενη μεθοδολογία κατά μήκος της διατριβής, και τα αναπτυχθέντα συστήματα, αλγόριθμοι, και συνθέσεις ελέγχου αποτελούν μια ενσωμάτωση εξαιρετικών ικανοτήτων εναέριας πλοήγησης, ενεργού επίδρασης στο περιβάλλον, και υψηλής αντίληψης για Μη Επανδρωμένα Αεροσκάφη μιας νέας γενιάς.
Appears in Collections:Τμήμα Ηλεκτρολ. Μηχαν. και Τεχνολ. Υπολογ. (ΔΔ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Papachristos(ele).pdf34.01 MBAdobe PDFView/Open


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons