Design and Control of Omni-directional aerial robot

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 기계항공공학부, 2016. 2. 이동준.우리는 비대칭적인 분산된 멀티 로터 배치로 SE(3)에서 fully-actuated한 특성을 가지고 비행과 회전이 동시에 가능하여 일반적인 비행로봇이 가지고 있는 under-actuation한 문제를 극복 할 수 있는 전방향 비행 로봇이라는 새로운 디자인의 비행 로봇을 제안한다. 먼저 우리는 각 로터들 사이의 공기역학적인 간섭을 최소화함과 동시에 최대의 제어 렌치를 생수 할 수 있게 하기 위해 로터 배치의 최적화 작업을 수행한다. 우리는 SE(3)에서 ODAR 시스템의 동역학 모델링을 제시하고 병진운동과 회전운동의 제어 디자인을 진행한다. 우리는 또한 ODAR 시스템을 실제 제작하고 그것의 성능을 검증한다. 기존의 비행로봇과는 완전히 다른 시스템으로서 우리는 ODAR 시스템이 전방향 렌치 생성이 중요한 항공 매니퓰레이터나 가상현실 렌더링 3D 환경구축을 위한 전방향 구동에서의 촬영 성능을 지닐 수 있는 항공 촬영 역할을 수행 할 것으로 믿는다.We propose a novel aerial robot system, Omni-Directional Aerial Robot (ODAR), which is fully-actuated in SE(3) with asymmetrically distributed multiple rotors and can fly and rotate at the same time, thereby, overcoming the well-known under-actuation problem of conventional multi-rotor aerial robots (or simply drones). We first perform optimization of rotor distribution to maximize control wrench generation in SE(3) while minimizing aero-dynamic interference among the rotors. We present dynamics modeling of the ODAR system in SE(3) and simultaneous translation / orientation control design. We also implement a ODAR system and experimentally validate its performance. Being completely different from the conventional drone, we believe this ODAR system would be promising for such applications as aerial manipulation, where omni-directional wrench generation is important, and also as aerial photography, where an ability to taking photos in omni-direction is desired for 3D environment reconstruction for VR scene rendering.1 서론 1 1.1 연구 동기 및 목적 1 1.2 연구 성과 4 2 시스템 디자인 및 제어 설계 6 2.1 시스템 디자인 6 2.2 제어 설계 16 3 시뮬레이션 21 3.1 시뮬레이션 준비 21 3.2 시뮬레이션 결과 24 4 시스템 제작 27 4.1 시스템 제작 준비 27 4.2 시스템 제작 구성품 28 4.3 시스템 제작 통합 34 5 실험 36 5.1 실험 준비 36 5.2 실험 결과 38 5.2.1 원형 궤적 추적 39 5.2.2 3D 영상촬영 모션 42 5.2.3 수직 구동 작업 45 6 결론 49 6.1 결론 49 6.2 향후 과제 50 참고문헌 52 Abstract 57Maste

결합된 쿼드로터 무인비행로봇의 모델링 및 제어

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 기계항공공학부, 2015. 2. 이동준.본 논문에서는 두 대의 쿼드로터 무인비행로봇을 비스듬히 결합한 새로운 시스템을 제시한다. 본 시스템은 기존의 한 대의 쿼드로터가 가지는 부족구동(underactuation)적인 측면과 낮은 적재하중의 문제를 극복하는 장점을 가진다. 즉, 기존에 쿼드로터가 4개의 구동 자유도를 갖는데 반해 본 시스템은 5개의 구동 자유도를 가져 한 차원의 제어가 추가로 가능하며, 이는 두 쿼드로터가 결합된 축 방향으로의 피치 (pitch) 동작에 대한 자유도로 활용할 수 있다. 이러한 특성은 공중 도구조작 (aerial tool operation) 등과 같은 실제 임무를 수행할 때 매우 유용하게 적용 가능하다. 제시된 비스듬히 결합한 쿼드로터 무인비행로봇 시스템에 대해 동역학 및 추력 관계식을 모델링하고, 궤적 추적 (trajectory tracking) 을 위해 백스텝핑 제어기법을 활용한 제어를 설계하였다. 또한, 각 로터에서의 추력들이 항상 양의 값을 가져야하는 제약조건을 만족시키기 위한 최적화 기법 을 제시하였다. 다양한 시뮬레이션을 통해 본 시스템과 제어기를 검증하였고 그 결과를 제시하였다.In this thesis, we introduce a novel concept of asymmetrically coupled quadrotor UAVs (Unmanned Aerial Vehicles) system. The proposed system is composed with two quadrotor UAVs that are asymmetrically coupled with each other. This coupled system has advantages in the sense of overcoming under-actuation and payload problems compared to single conventional quadrotor UAV. That is, the proposed system has 5 actuation DOFs while single quadrotor UAV has 4 actuation DOFs, where the additional actuation can be exploited for decoupling translation and rotation in a certain direction. This feature increases the versatility and is useful for real tasks such as aerial tool operation. We first model the coupled quadrotor system and design a controller which is based on the backstepping control and optimization to guarantee positiveness of thrusts. Simulation results are presented to validate the theory and to demonstrate the advantages of the proposed system.1 Introduction 1 1.1 Motivation and Objectives 1 1.2 State of the Art 3 1.3 Contribution of this Work 4 2 System Modeling 6 2.1 Asymmetrically Coupled Quadrotor UAVs 6 2.2 Dynamics of Asymmetrically Coupled Quadrotor UAVs 9 2.3 Thrust Relationship 13 3 Control Design 16 3.1 Backstepping Control 17 3.2 Positive Thrust Constraint 23 4 Simulation 26 4.1 Simulation Scheme 26 4.2 Simulation Results 28 4.2.1 Trajectory tracking 29 4.2.2 Translation along x-axis without rotation 31 4.2.3 Rotation without translation 35 4.2.4 Combination case 37 4.2.5 Tool operation example 40 5 Conclusion and Future Work 44 5.1 Conclusion 44 5.2 Future Work 45Maste

A Modular Aerial Vehicle with Redundant Actuation

Abstract-This work presents the design and experimental validation of a control strategy for an innovative modular aerial vehicle characterized by redundant actuation. For this class of aircraft, the distinguishing feature of the proposed design -which sets it apart from standard vertical take-off and landing (VTOL) under-actuated configurations such as helicopters, ducted-fan tail-sitters or multi-rotors -is that the input redundancy can be employed to improve the dynamical properties of the system. In particular, the vehicle performance can be enhanced in certain applications that benefit from a larger number of degrees of freedom being simultaneously controlled. A control strategy is proposed which is capable of globally stabilizing the dynamics of this class of vehicles along a desired trajectory. The methodology is validated by means of experiments carried out on a special prototype obtained by rigidly connecting two ducted-fan tail-sitter UAVs