Modeling and nonlinear adaptive control of an aerial manipulation system

Abstract

Otonom hava araçları birçok sivil ve askeri uygulamanın önemli bir parçası haline gelmiştir. Bu araçların çalışma alanı ve çevikliği, kontrol mimarilerini ve mekanik yapılandırmalarını ele alan çeşitli çalışmalarla sonuçlanan büyük araştırma ilgisini motive etti. Artan özerklik, tehlikeli ve zorlu ortamlarda gözetleme, denetim ve uzaktan algılama gibi görevleri gerçekleştirmelerini sağladı. Devam eden araştırmalar, hem teoride hem de pratikte topluma daha fazla katkı vaad etmektedir. Geniş uygulamalarını daha da genişletmek için, hava robotları çevre ile fiziksel etkileşimi sağlayan araçlarla donatılmaktadır. Bu görevler, teknolojik kısıtlamaların yanı sıra, sistemin kontrolü istenen işlemleri verimli ve istikrarlı bir şekilde yapması için gerekli karmaşık yöntemlerin bulunmamasından dolayı büyük bir zorluk teşkil etmektedir. Havada manipülasyonun modelleme ve kontrol sorunu, hala bu konuları farklı bakış açılarından ele alan birçok çalışmanın yer aldığı açık bir araştırma konusudur.Bu tez, bir havada manipülasyon sisteminin (AMS) doğrusal olmayan uyarlanabilir kontrolü ile ilgilidir. Bu sistem, 2 serbestlik dereceli (DOF) manipülatör ile donatılmış bir quadrotordan oluşur. Sistemin tam modellenmesi Euler-Lagrange yöntemi kullanılarak yapılmıştır. Dış ve iç kontrol döngülerinden oluşan hiyerarşik bir doğrusal olmayan kontrol şeması kullanılmıştır. Model Referans Uyarlamalı Kontrolcü (MRAC), quadrotoru manipülatörden gelen belirsizlikler ve reaksiyon kuvvetleri varlığında referans yörünge üzerinde hareket etmeye zorlamak için gerekli komut sinyallerinin üretildiği dış döngü için tasarlanmıştır. İç döngü için, quadrotorun açısal dinamikleri ve 2-DOF robot kolunun eklem dinamikleri, AMS'nin tamamen harekete geçirilmiş 5-DOF bütünleşik parçası olarak dikkate alınmaktadır. Ataletlerdeki değişikliklerin dikkate alındığı düşük seviye kontrolcüsü için doğrusal olmayan uyarlamalı kontrol kullanılmıştır. Önerilen kontrolcü belirsizlikler, rüzgar bozucu etkisi ve ölçüm gürültüsü varlığında yüksek sadakatli bir AMS modelinde test edilmiş ve tatmin edici yörünge izleme performansının yanı sıra sistemin gürbüzlüğü iyileştirilmiştir.

Autonomous aerial robots have become an essential part of many civilian and military applications. The workspace and agility of these vehicles motivated great research interest resulting in various studies addressing their control architectures and mechanical configurations. Increasing autonomy enabled them to perform tasks such as surveillance, inspection and remote sensing in hazardous and challenging environments. The ongoing research promises further contributions to the society, in both theory and practice. To furthermore extend their vast applications, aerial robots are equipped with the tools to enable physical interaction with the environment. These tasks represent a great challenge due to the technological limitations as well as the lack of sophisticated methods necessary for the control of the system to perform desired operations in an efficient and stable manner. Modeling and control problem of an aerial manipulation is still an open research topic with many studies addressing these issues from different perspectives.This thesis deals with the nonlinear adaptive control of an aerial manipulation system (AMS). The system consists of a quadrotor equipped with a 2 degrees of freedom (DOF) manipulator. The complete modeling of the system is done using the Euler-Lagrange method. A hierarchical nonlinear control structure which consists of outer and inner control loops has been utilized. Model Reference Adaptive Controller (MRAC) is designed for the outer loop where the required command signals are generated to force the quadrotor to move on a reference trajectory in the presence of mass uncertainties and reaction forces coming from the manipulator. For the inner loop, the attitude dynamics of the quadrotor and the joint dynamics of the 2-DOF robotic arm are considered as a fully actuated 5-DOF unified part of the AMS. Nonlinear adaptive control has been utilized for the low-level controller where the changes in inertias have been considered. The proposed controller is tested on a high fidelity AMS model in the presence of uncertainties, wind disturbances and measurement noise, and satisfactory trajectory tracking performance with improved robustness is achieved.