Feedback Design and Implementation for Integrated Posture Manipulation and Thrust Vectoring
作者: Aniket Shashikant Dhole
分类: cs.RO
发布日期: 2024-12-27
备注: Accepted as final report for Master's thesis towards a Master of Science in Electrical and Computer Engineering
💡 一句话要点
针对扑翼飞行器与双足机器人的姿态控制与推力矢量集成反馈设计
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 姿态控制 推力矢量 扑翼机器人 双足机器人 闭环控制 动态行走 系统集成
📋 核心要点
- 现有腿式机器人和扑翼飞行器在复杂环境下的稳定控制面临挑战，需要更有效的姿态调整和运动控制方法。
- 论文提出将姿态控制与推力矢量集成，通过闭环反馈设计，实现机器人稳定性和运动控制的增强。
- 通过Aerobat的无系绳飞行和Harpy的初步动态行走实验，验证了所提出控制框架的有效性。
📝 摘要（中文）
本硕士论文概述了我对两个机器人平台的闭环控制和系统集成的贡献：1) Aerobat，一种通过气流喷射稳定的扑翼机器人；2) Harpy，一种配备双推进器的双足机器人。这两个系统都以姿态控制和推力矢量集成为主题，以实现稳定性和受控运动。对于Aerobat，我开发了软件和控制架构，使其能够进行首次无系绳飞行。该控制系统将扑翼动力学与多个气流喷射稳定相结合，以保持横滚、俯仰和偏航稳定性。这些结果发表在IEEE/RSJ国际智能机器人与系统会议（IROS）上。对于Harpy，我实现了一个闭环控制框架，该框架结合了主动推进器辅助的正面动力学稳定。我的工作促成了初步的无系绳动态行走。这种方法展示了推力辅助稳定性如何增强腿式机器人的运动能力，这在以前没有被探索过。
🔬 方法详解
问题定义：现有腿式机器人和扑翼飞行器在复杂环境中难以保持稳定，尤其是在受到扰动时。传统的控制方法可能无法充分利用推力矢量进行姿态调整，导致运动性能受限。因此，需要一种能够有效集成姿态控制和推力矢量的方法，以提高机器人的稳定性和运动能力。
核心思路：论文的核心思路是将姿态控制和推力矢量进行集成，通过闭环反馈控制来实现机器人的稳定和运动。通过主动调整推力矢量，可以有效地补偿外部扰动，并实现精确的姿态控制。这种方法能够充分利用机器人的动力学特性，提高其在复杂环境中的适应性。
技术框架：对于Aerobat，控制系统结合了扑翼动力学和多个气流喷射器，通过闭环反馈控制来稳定横滚、俯仰和偏航角。对于Harpy，控制框架集成了主动推进器辅助的正面动力学稳定，通过调整推进器的推力来实现动态行走。两个系统都采用了类似的闭环控制架构，包括传感器数据采集、状态估计、控制律设计和执行器控制等模块。
关键创新：论文的关键创新在于将姿态控制和推力矢量进行集成，并设计了相应的闭环控制框架。这种方法能够充分利用机器人的动力学特性，提高其在复杂环境中的适应性。此外，论文还首次探索了推力辅助稳定性在腿式机器人运动中的应用，为未来的研究提供了新的思路。
关键设计：Aerobat的关键设计在于气流喷射器的布局和控制策略，需要根据扑翼的动力学特性进行优化。Harpy的关键设计在于推进器的位置和推力分配算法，需要考虑机器人的重心位置和运动需求。此外，闭环控制器的参数调整也至关重要，需要根据实际情况进行优化。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
Aerobat实现了首次无系绳飞行，验证了所提出的控制框架的有效性。Harpy实现了初步的无系绳动态行走，展示了推力辅助稳定性在腿式机器人运动中的潜力。这些实验结果表明，所提出的方法能够有效地提高机器人的稳定性和运动能力，为未来的研究奠定了基础。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于多种机器人领域，例如：复杂地形下的腿式机器人运动、空中机器人的姿态稳定与控制、以及在灾难救援和环境监测等领域的应用。通过提高机器人的稳定性和运动能力，可以使其在更广泛的场景中发挥作用，并为人类提供更有效的帮助。
📄 摘要（原文）
This MS thesis outlines my contributions to the closed loop control and system integration of two robotic platforms: 1) Aerobat, a flapping wing robot stabilized by air jets, and 2) Harpy, a bipedal robot equipped with dual thrusters. Both systems share a common theme of the integration of posture manipulation and thrust vectoring to achieve stability and controlled movement. For Aerobat, I developed the software and control architecture that enabled its first untethered flights. The control system combines flapping wing dynamics with multiple air jet stabilization to maintain roll, pitch and yaw stability. These results were published in the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). For Harpy, I implemented a closed-loop control framework that incorporates active thruster assisted frontal dynamics stabilization . My work led to preliminary untethered dynamic walking. This approach demonstrates how thrust assisted stability can enhance locomotion in legged robots which has not been explored before.