A Progress-Aware Leader-Follower Midair Docking System for Dual-Drone Aerial Manipulation
作者: Yifan Cai, Jan Ming Kevin Tan, Xiangqi Li, Chenzhe Jin, Narsimlu Kemsaram, Valerio Modugno
分类: cs.RO
发布日期: 2026-05-28
备注: This paper has been accepted for publication in the Proceedings of the 2026 IEEE 22nd International Conference on Automation Science and Engineering (CASE 2026), August 17-21, 2026, Shenyang, China
💡 一句话要点
提出一种基于进度感知的双无人机空中对接系统，用于空中操作
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 无人机对接 空中操作 主从编队 磁力锁 ROS 2
📋 核心要点
- 小型无人机空中对接对于模块化空中协作至关重要，但需要精确的相对姿态控制，现有方法在推力和载荷约束下存在不足。
- 论文提出一种主从式双无人机对接系统，利用进度感知的任务管理器控制对接过程，并采用轻量级磁力锁实现稳定对接。
- 通过仿真和真实实验，验证了该平台在编队误差、对接成功率等方面的性能，为空中操作提供了一个可靠的测试平台。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种双无人机对接平台，用于模块化空中合作和操作。该平台由两架四旋翼无人机组成，采用主从编队，并通过轻量级模块化框架和被动磁力锁进行对接。一个进度感知的任务管理器负责管理各个阶段的转换：接近、对齐、捕获和稳定。该平台集成了完整的软硬件栈（ROS 2与Crazyflie/PX4接口）和同步日志记录，用于基准评估。通过仿真和真实实验，使用编队误差、基线和偏航一致性、对接成功率、对接时间和失效模式统计等定量指标对平台进行了评估。该平台支持对接监管和同步策略的统计比较，并为模块化空中合作和可重复的空中操作提供了一个实用的测试平台。
🔬 方法详解
问题定义：现有小型无人机空中对接方案在推力、载荷受限的情况下，难以实现精确的相对姿态控制和可重复的平台对接。这限制了模块化空中协作和操作的应用。
核心思路：论文的核心思路是采用主从式编队，由领导者无人机引导跟随者无人机，通过进度感知的任务管理器，将对接过程分解为多个阶段，并针对每个阶段进行优化控制。这种方法能够降低对接难度，提高对接成功率和鲁棒性。
技术框架：整体架构包含以下几个主要模块：1) 领导者无人机和跟随者无人机；2) 轻量级模块化对接框架，包含被动磁力锁；3) 进度感知的任务管理器，负责管理接近、对齐、捕获和稳定四个阶段；4) 基于ROS 2的软硬件栈，提供无人机控制和数据同步接口。
关键创新：该论文的关键创新在于进度感知的任务管理器。该管理器能够根据对接进度动态调整控制策略，从而提高对接的鲁棒性和效率。此外，轻量级模块化对接框架的设计也降低了无人机的载荷负担。
关键设计：任务管理器根据对接进度划分阶段，每个阶段采用不同的控制策略。例如，在接近阶段，采用基于视觉的相对位姿估计和编队控制；在对齐阶段，采用更精细的姿态调整；在捕获阶段，利用磁力锁实现快速对接；在稳定阶段，进行姿态稳定和能量耗散。具体的参数设置和控制算法细节在论文中未详细描述，属于未知信息。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，该平台具有较高的对接成功率和较短的对接时间。通过对比不同的对接监管和同步策略，验证了进度感知任务管理器的有效性。具体的性能数据和对比基线在摘要中有所提及，但未给出具体数值。失效模式统计也为进一步改进系统提供了依据。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于模块化无人机集群、空中组装、空中补给、灾害救援等领域。通过空中对接，可以扩展无人机的功能和任务范围，实现更复杂的空中操作。例如，多个无人机可以通过对接形成更大的平台，从而携带更重的载荷或执行更长时间的任务。该技术还有助于实现无人机的自主维护和升级。
📄 摘要（原文）
Reliable midair docking between small unmanned aerial vehicles (UAVs) is essential for modular aerial cooperation and manipulation, but it requires precise relative-pose control and repeatable platform under tight thrust and payload constraints. We present a dual-drone docking platform where two quadrotors operate in a leader-follower formation and dock using a lightweight modular frame with passive magnetic latching. A progress-aware mission supervisor manages phase transitions: approach, alignment, capture, and settle. This platform integrates a complete hardware-software stack (ROS 2 with Crazyflie/PX4 interfaces) and synchronized logging for benchmark evaluation. We evaluate the platform in simulation and real-world experiments using quantitative metrics such as formation error, baseline and yaw consistency, docking success rate, time-to-dock, and failure-mode statistics. The platform enables statistically grounded comparison of docking supervision and synchronization strategies and provides a practical testbed for modular aerial cooperation and repeatable midair aerial manipulation.