Motion Planning and Control of A Morphing Quadrotor in Restricted Scenarios

📄 arXiv: 2312.07075v1 📥 PDF

作者: Guiyang Cui, Ruihao Xia, Xin Jin, Yang Tang

分类: cs.RO

发布日期: 2023-12-12

备注: 8 pages, 9 figures

💡 一句话要点

针对受限环境，提出考虑形态变化的变形四旋翼飞行器统一规划与控制框架

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 变形四旋翼 运动规划 轨迹优化 非线性控制 受限环境

📋 核心要点

  1. 现有变形四旋翼研究主要集中在结构和控制器改进，缺乏考虑形态变化的规划算法，导致安全性和动态可行性问题。
  2. 本文提出统一的规划与控制框架，通过时空轨迹优化器生成安全轨迹，并利用非线性姿态控制器动态调整参数。
  3. 实验结果表明，所提出的控制器具有鲁棒性，并且通过仿真和真实实验验证了框架的有效性。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种针对变形四旋翼飞行器的统一规划与控制框架，使其能够自主高效地变形，以适应不同的受限环境。该框架包含一个毫秒级的时空轨迹优化器，该优化器考虑了四旋翼飞行器的形态变化，能够生成包含位置和姿态的全身安全轨迹。此外，还包含一个非线性姿态控制器，该控制器考虑了空气动力阻力，并动态调整惯性张量和重心等动态参数。该控制器还可以在变形过程中在线计算推力系数。与现有方法相比，基准实验验证了所提出的控制器的鲁棒性。大量的仿真和真实实验证明了所提出的框架的有效性。

🔬 方法详解

问题定义：现有变形四旋翼飞行器的研究主要集中在结构设计和控制器优化上，而忽略了在运动规划过程中对飞行器形态变化的考虑。这导致在复杂或受限环境中，飞行器难以生成安全且动态可行的轨迹，限制了其应用范围。因此，需要一种能够同时考虑飞行器形态变化和运动规划的统一框架。

核心思路：本文的核心思路是将运动规划和形态变化控制相结合，设计一个统一的框架。通过时空轨迹优化器，同时优化飞行器的位置、姿态和形态，确保生成的轨迹是安全且动态可行的。此外，利用非线性姿态控制器，实时调整飞行器的动态参数，以适应变形过程中的变化。

技术框架：该框架主要包含两个核心模块：1) 时空轨迹优化器：该模块负责生成飞行器的位置、姿态和形态轨迹，同时考虑环境约束、动力学约束和安全性约束。2) 非线性姿态控制器：该模块负责跟踪由轨迹优化器生成的姿态轨迹，并实时调整飞行器的推力和力矩，以实现精确的姿态控制。此外，该框架还包含一个形态估计模块，用于实时估计飞行器的形态参数。

关键创新：本文的关键创新在于提出了一个统一的规划与控制框架，能够同时考虑飞行器的形态变化和运动规划。该框架通过时空轨迹优化器，显式地将形态变化纳入规划过程，从而生成更加安全和动态可行的轨迹。此外，该框架还提出了一种非线性姿态控制器，能够实时调整飞行器的动态参数，以适应变形过程中的变化。

关键设计：时空轨迹优化器采用了一种基于B样条的轨迹表示方法，能够有效地表示飞行器的位置、姿态和形态轨迹。优化目标包括轨迹的光滑性、安全性、动态可行性等。非线性姿态控制器采用了一种基于李群的控制方法，能够有效地处理飞行器的姿态控制问题。控制器中考虑了空气动力阻力的影响，并采用了一种自适应控制方法，能够实时调整控制器的参数，以适应变形过程中的变化。

📊 实验亮点

实验结果表明，所提出的控制器在面对外部扰动时具有良好的鲁棒性，能够有效地跟踪目标轨迹。与现有的基于几何控制的方法相比，所提出的控制器能够更好地抑制姿态误差。仿真和真实实验验证了所提出的框架的有效性，表明其能够在受限环境中生成安全且动态可行的轨迹。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于狭窄空间内的搜索救援、室内检查、桥梁检测等场景。通过自主变形，四旋翼飞行器可以进入传统飞行器难以到达的区域，执行特定任务。未来，该技术有望应用于更复杂的环境，例如灾后救援、工业巡检等，具有重要的实际应用价值。

📄 摘要（原文）

Morphing quadrotors with four external actuators can adapt to different restricted scenarios by changing their geometric structure. However, previous works mainly focus on the improvements in structures and controllers, and existing planning algorithms don't consider the morphological modifications, which leads to safety and dynamic feasibility issues. In this paper, we propose a unified planning and control framework for morphing quadrotors to deform autonomously and efficiently. The framework consists of a milliseconds-level spatial-temporal trajectory optimizer that takes into account the morphological modifications of quadrotors. The optimizer can generate full-body safety trajectories including position and attitude. Additionally, it incorporates a nonlinear attitude controller that accounts for aerodynamic drag and dynamically adjusts dynamic parameters such as the inertia tensor and Center of Gravity. The controller can also online compute the thrust coefficient during morphing. Benchmark experiments compared with existing methods validate the robustness of the proposed controller. Extensive simulations and real-world experiments are performed to demonstrate the effectiveness of the proposed framework.