Quadrotor team modeling and control for DLO transportation

94 p.Esta Tesis realiza una propuesta de un modelado dinámico para el transporte de sólidos lineales deformables (SLD) mediante un equipo de cuadricópteros. En este modelo intervienen tres factores: - Modelado dinámico del sólido lineal a transportar. - Modelo dinámico del cuadricóptero para que tenga en cuenta la dinámica pasiva y los efectos del SLD. - Estrategia de control para un transporte e ciente y robusto. Diferenciamos dos tareas principales: (a) lograr una con guración cuasiestacionaria de una distribución de carga equivalente a transportar entre todos los robots. (b) Ejecutar el transporte en un plano horizontal de todo el sistema. El transporte se realiza mediante una con guración de seguir al líder en columna, pero los cuadricópteros individualmente tienen que ser su cientemente robustos para afrontar todas las no-linealidades provocadas por la dinámica del SLD y perturbaciones externas, como el viento. Los controladores del cuadricóptero se han diseñado para asegurar la estabilidad del sistema y una rápida convergencia del sistema. Se han comparado y testeado estrategias de control en tiempo real y no-real para comprobar la bondad y capacidad de ajuste a las condiciones dinámicas cambiantes del sistema. También se ha estudiado la escalabilidad del sistema

Agile load transportation systems using aerial robots

In this dissertation, we address problems that can occur during load transport using aerial robots, i.e., small scale quadrotors. First, detailed models of such transportation system are derived. These models include nonlinear models of a quadrotor, a model of a quadrotor carrying a fixed load and a model of a quadrotor carrying a suspended load. Second, the problem of quadrotor stabilization and trajectory tracking with changes of the center of gravity of the transportation system is addressed. This problem is solved using model reference adaptive control based on output feedback linearization that compensates for dynamical changes in the center of gravity of the quadrotor. The third problem we address is a problem of a swing-free transport of suspended load using quadrotors. Flying with a suspended load can be a very challenging and sometimes hazardous task as the suspended load significantly alters the flight characteristics of the quadrotor. In order to deal with suspended load flight, we present a method based on dynamic programming which is a model based offline method. The second investigated method we use is based on the Nelder-Mead algorithm which is an optimization technique used for nonlinear unconstrained optimization problems. This method is model free and it can be used for offline or online generation of the swing-free trajectories for the suspended load. Besides the swing-free maneuvers with suspended load, load trajectory tracking is another problem we solve in this dissertation. In order to solve this problem we use a Nelder-Mead based algorithm. In addition, we use an online least square policy iteration algorithm. At the end, we propose a high level algorithm for navigation in cluttered environments considering a quadrotor with suspended load. Furthermore, distributed control of multiple quadrotors with suspended load is addressed too. The proposed hierarchical architecture presented in this doctoral dissertation is an important step towards developing the next generation of agile autonomous aerial vehicles. These control algorithms enable quadrotors to display agile maneuvers while reconfiguring in real time whenever a change in the center of gravity occurs. This enables a swing-free load transport or trajectory tracking of the load in urban environments in a decentralized fashion

Data-driven system identification and model predictive control of a multirotor with an unknown suspended payload

Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2022.ENGLISH ABSTRACT: This thesis considers the problem of stabilised control for a multirotor with an unknown suspended payload. The swinging payload negatively affects the multirotor flight dynamics by inducing oscillations in the system. An adaptive control architecture is proposed to damp these oscillations and produce stable flight with different unknown payloads. The architecture includes a data-driven system identification method that assumes no prior knowledge of the payload dynamics. This method is demonstrated in simulation and with practical flight data. Model Predictive Control (MPC) is applied for swing damping control and is verified with Hardware-in-the-Loop (HITL) simulations. A parameter estimator and Linear Quadratic Regulator (LQR) is used as a baseline control architecture. The LQR uses a predetermined model of the system, which is completed with estimates of the payload mass and cable length. The newly proposed architecture uses Dynamic Mode Decomposition with Control (DMDc) to estimate a linear state-space model and approximate the dynamics without using a predetermined model. The architecture was also tested with a Hankel Alternative View Of Koopman (HAVOK) algorithm which was extended in this work to account for control. An MPC uses the data-driven model to control the multirotor and damp the payload oscillations. A Simulink™ simulator was designed and verified with practical data. Within simulations both the baseline and proposed architectures produced near swing-free control with different payload masses and cable lengths. Even with a dynamic payload producing irregular oscillations, both methods achieved stabilised control. Both architectures also showed effective disturbance rejection. Despite the baseline method using an accurate predetermined model, the proposed method produced equal performances without prior knowledge of the dynamics. The baseline performance degraded significantly with a changed multirotor mass because this parameter was not considered as an unknown. In contrast, the proposed method consistently produced good performances. The accuracy of the DMDc models was verified with practical flight data. The proposed control architecture was also demonstrated in HITL simulations. The hardware executed the MPC at the desired frequency, producing near swing-free control within a Gazebo simulator. Overall, it was shown that the proposed control architecture is practically feasible. Without knowledge of the payload dynamics, a data-driven model can be used with MPC for effective swing damping control with a multirotor.AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie tesis hanteer die probleem van gestabiliseerde beheer vir ’n multirotor hommeltuig met ’n onbekende hangende loonvrag. Die swaaiende loonvrag be¨ınvloed die vlugdin amika deur ossillasies in die stelsel te veroorsaak. ’n Aanpasbare beheerargitektuur word voorgestel om hierdie ossillasies te demp vir stabiele vlugte met verskillende onbekende loonvragte. Die argitektuur maak gebruik van ’n datagedrewe stelsel-identifikasiemetode wat geen voorafkennis van die loonvragdinamika gebruik nie. Hierdie metode word in simulasies en met praktiese vlugdata gedemonstreer. Model Voorspellende Beheer (MVB) word toegepas vir swaaidempingsbeheer en word geverifieer met Hardeware-in-die-Lus (HIDL) simulasies. ’n Parameter-afskatter en Lineˆere Kwadratiese Gaussiese (LKG) word in die basislyn beheerargitektuur gebruik. Die LKG gebruik ’n voorafbepaalde model van die sisteem wat voltooi word met afskattings van die loonvragmassa en kabellengte. Die nuwe voorgestelde argitektuur gebruik Dinamiese Modus Ontbinding met beheer (DMOb) om ’n lineˆere toestand-ruimte model te bereken en die dinamika af te skat sonder ’n voorafbepaalde model. Die argitektuur is ook getoets met ’n Hankel Alternatiewe Siening van Koopman (HASK)-algoritme wat in hierdie werk uitgebrei is om beheer in te sluit. ’n MVB gebruik die data-gedrewe model om die multirotor te beheer en die loonvrag se ossillasies te demp. ’n Simulink™-simululeerder is ontwerp en geverifieer met praktiese data. In simulasies het beide die basislyn en voorgestelde argitekture byna-swaaivrye beheer met verskillende loon vragmassas en kabellengtes geproduseer. Selfs met ’n dinamiese loonvrag wat onre¨elmatige ossillasies voortbring, het beide metodes gestabiliseerde beheer tot gevolg gehad. Beide ar gitekture het ook effektiewe versteuringsverwerping getoon. Al gebruik die basislynmetode ’n akkurate voorafbepaalde model, het die voorgestelde metode gelyke prestasies gelewer sonder voorafkennis van die dinamika. Die basislyn prestasie het aansienlik afgeneem vir ’n aangepaste multirotormassa omdat hierdie parameter nie as ’n onbekende beskou is nie. Daarteenoor het die voorgestelde metode deurgaans goeie prestasies gelewer. Die akkuraatheid van die DMOb modelle is geverifieer met praktiese vlugdata. Die voorgestelde beheerargitektuur is ook in HIDL-simulasies gedemonstreer. MVB is teen die verlangde frekwensie uitgevoer en het byna-swaaivrye beheer in ’n Gazebo-simululeerder gelewer. In die geheel is dit gewys dat die voorgestelde beheerargitektuur prakties uitvoerbaar is. Sonder kennis van die loonvragdinamika kan ’n data-gedrewe model met MVB gebruik word vir effektiewe swaaidempingsbeheer met ’n multirotor.Master

Quadrotor team modeling and control for DLO transportation

94 p.Esta Tesis realiza una propuesta de un modelado dinámico para el transporte de sólidos lineales deformables (SLD) mediante un equipo de cuadricópteros. En este modelo intervienen tres factores: - Modelado dinámico del sólido lineal a transportar. - Modelo dinámico del cuadricóptero para que tenga en cuenta la dinámica pasiva y los efectos del SLD. - Estrategia de control para un transporte e ciente y robusto. Diferenciamos dos tareas principales: (a) lograr una con guración cuasiestacionaria de una distribución de carga equivalente a transportar entre todos los robots. (b) Ejecutar el transporte en un plano horizontal de todo el sistema. El transporte se realiza mediante una con guración de seguir al líder en columna, pero los cuadricópteros individualmente tienen que ser su cientemente robustos para afrontar todas las no-linealidades provocadas por la dinámica del SLD y perturbaciones externas, como el viento. Los controladores del cuadricóptero se han diseñado para asegurar la estabilidad del sistema y una rápida convergencia del sistema. Se han comparado y testeado estrategias de control en tiempo real y no-real para comprobar la bondad y capacidad de ajuste a las condiciones dinámicas cambiantes del sistema. También se ha estudiado la escalabilidad del sistema

Quadrotor team modeling and control for DLO transportation

94 p.Esta Tesis realiza una propuesta de un modelado dinámico para el transporte de sólidos lineales deformables (SLD) mediante un equipo de cuadricópteros. En este modelo intervienen tres factores: - Modelado dinámico del sólido lineal a transportar. - Modelo dinámico del cuadricóptero para que tenga en cuenta la dinámica pasiva y los efectos del SLD. - Estrategia de control para un transporte e ciente y robusto. Diferenciamos dos tareas principales: (a) lograr una con guración cuasiestacionaria de una distribución de carga equivalente a transportar entre todos los robots. (b) Ejecutar el transporte en un plano horizontal de todo el sistema. El transporte se realiza mediante una con guración de seguir al líder en columna, pero los cuadricópteros individualmente tienen que ser su cientemente robustos para afrontar todas las no-linealidades provocadas por la dinámica del SLD y perturbaciones externas, como el viento. Los controladores del cuadricóptero se han diseñado para asegurar la estabilidad del sistema y una rápida convergencia del sistema. Se han comparado y testeado estrategias de control en tiempo real y no-real para comprobar la bondad y capacidad de ajuste a las condiciones dinámicas cambiantes del sistema. También se ha estudiado la escalabilidad del sistema