Optimization free control and ground force estimation with momentum observer for a multimodal legged aerial robot
作者: Kaushik Venkatesh Krishnamurthy, Chenghao Wang, Shreyansh Pitroda, Eric Sihite, Alireza Ramezani, Morteza Gharib
分类: cs.RO, eess.SY
发布日期: 2024-11-18
备注: 6 pages, 10 figures, submitted to American Control Conference 2025
💡 一句话要点
针对多模态腿式飞行机器人，提出基于动量观测器的无优化控制与地面力估计方法
🎯 匹配领域: 支柱九：具身大模型 (Embodied Foundation Models)
关键词: 腿式飞行机器人 多模态机器人 无优化控制 显式参考调控器 动量观测器 地面反作用力估计 摩擦锥约束
📋 核心要点
- 腿式飞行机器人融合了腿式和飞行系统的优点，但现有方法依赖于复杂的优化求解器和高性能计算平台。
- 本文提出一种无优化的控制框架，利用显式参考调控器过滤速度参考，确保足端不滑动，并使用共轭动量观测器估计地面反作用力。
- 通过Husky机器人的降阶仿真，验证了所提出的动量观测器在估计地面反作用力方面的有效性，并与约束模型进行了比较。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种针对腿式飞行多模态机器人的控制框架，该框架利用显式参考调控器(Explicit Reference Governor, ERG)，无需复杂的板载计算机，并结合来自姿态控制器的外部推力。地面反作用力通常需要使用计算成本高的优化求解器来维持在摩擦锥约束内，但ERG框架通过过滤速度参考来确保足端不发生滑动。此外，本文还提出了一种共轭动量观测器，该观测器广泛应用于扰动观测中，用于估计地面反作用力，并通过Husky的降阶仿真，将其有效性与约束模型估计地面反作用力的有效性进行了比较。
🔬 方法详解
问题定义：腿式飞行机器人在与环境交互时，需要精确控制地面反作用力，以保证运动的稳定性和效率。传统的地面反作用力控制方法通常依赖于复杂的优化求解器，计算成本高昂，难以在资源受限的板载计算机上实时运行。此外，精确估计地面反作用力也是一个挑战，尤其是在存在外部扰动和模型不确定性的情况下。
核心思路：本文的核心思路是避免使用计算密集型的优化求解器，转而采用一种无优化的控制框架。该框架利用显式参考调控器(ERG)来过滤速度参考，确保足端不发生滑动，从而间接控制地面反作用力。同时，使用共轭动量观测器来估计地面反作用力，该观测器对模型不确定性和外部扰动具有一定的鲁棒性。
技术框架：整体框架包含两个主要部分：姿态控制器和显式参考调控器。姿态控制器负责控制机器人的姿态，并提供外部推力信息。显式参考调控器接收来自姿态控制器的速度参考，并根据摩擦锥约束进行过滤，生成最终的速度参考。此外，共轭动量观测器利用机器人的运动学和动力学模型，以及传感器数据，估计地面反作用力。
关键创新：本文的关键创新在于提出了一种无优化的控制框架，该框架能够有效地控制腿式飞行机器人的运动，并估计地面反作用力，而无需使用计算密集型的优化求解器。此外，使用共轭动量观测器来估计地面反作用力，该观测器对模型不确定性和外部扰动具有一定的鲁棒性。
关键设计：显式参考调控器的关键设计在于摩擦锥约束的建模和速度参考的过滤算法。共轭动量观测器的关键设计在于动量观测器的增益选择和噪声滤波。仿真实验中，Husky机器人的模型被简化为一个降阶模型，用于验证所提出的控制框架和动量观测器的有效性。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
通过Husky机器人的降阶仿真实验，验证了所提出的共轭动量观测器在估计地面反作用力方面的有效性。实验结果表明，该观测器能够准确地估计地面反作用力，并且对模型不确定性和外部扰动具有一定的鲁棒性。与传统的约束模型相比，该观测器具有更低的计算成本和更好的实时性。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于腿式飞行机器人的自主导航、复杂地形穿越、以及人机协作等领域。例如，在搜索救援任务中，腿式飞行机器人可以利用该控制框架，在瓦砾堆等复杂环境中稳定移动，并利用动量观测器估计地面反作用力，从而感知环境信息，提高任务完成效率。此外，该方法还可以应用于其他类型的机器人，例如轮腿式机器人和人形机器人。
📄 摘要（原文）
Legged-aerial multimodal robots can make the most of both legged and aerial systems. In this paper, we propose a control framework that bypasses heavy onboard computers by using an optimization-free Explicit Reference Governor that incorporates external thruster forces from an attitude controller. Ground reaction forces are maintained within friction cone constraints using costly optimization solvers, but the ERG framework filters applied velocity references that ensure no slippage at the foot end. We also propose a Conjugate momentum observer, that is widely used in Disturbance Observation to estimate ground reaction forces and compare its efficacy against a constrained model in estimating ground reaction forces in a reduced-order simulation of Husky.