Contact-Aware Incremental Model Predictive Control for an Underactuated Aerial Manipulator

📄 arXiv: 2609.11661v1 📥 PDF

作者: Darwin Liu, Tamas Keviczky, Sihao Sun

分类: cs.RO

发布日期: 2026-09-10

备注: 8 pages, 6 figures

💡 一句话要点

提出接触感知增量模型预测控制以解决无人机操作问题

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control) 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)

关键词: 无人机操作 模型预测控制 接触感知 增量动态反演 鲁棒控制 力跟踪 末端执行器 欠驱动系统

📋 核心要点

  1. 现有的无人机操作方法在接触控制和力跟踪方面存在鲁棒性不足的问题，尤其是在复杂环境中。
  2. 本文提出了一种结合NMPC和INDI的控制框架，旨在提高无人机在接触操作中的精确性和鲁棒性。
  3. 实验结果表明，该方法在多种环境条件下均能实现高效的末端执行器控制，显示出显著的性能提升。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种针对无人机操作平台的鲁棒接触感知控制框架。该框架结合了非线性模型预测控制（NMPC），用于在小参考渗透深度下精确跟踪末端执行器位置和法向力，同时在控制器调优中保持一致的性能；以及全身增量非线性动态反演（INDI），以增强在接触过程中对摩擦和气动扰动的鲁棒性。所提控制器在基于四旋翼的无人机操作器上进行了仿真和实际实验验证，涵盖了垂直和倾斜表面、多种参考力、不同摩擦条件和风扰动。结果表明，在标准的欠驱动四旋翼上，能够实现鲁棒的五自由度末端执行器姿态和接触力跟踪，而无需完全驱动的平台、复杂的机械臂或专用的力/扭矩传感器。

🔬 方法详解

问题定义：本文旨在解决无人机在接触操作中面临的鲁棒性不足和力跟踪精度低的问题。现有方法在摩擦和气动扰动影响下表现不佳，难以满足实际应用需求。

核心思路：论文提出的解决方案是结合非线性模型预测控制（NMPC）和全身增量非线性动态反演（INDI），以实现对末端执行器位置和接触力的精确控制，增强系统的鲁棒性。

技术框架：整体架构包括两个主要模块：首先，使用NMPC进行末端执行器位置和法向力的跟踪；其次，利用INDI处理接触过程中的扰动，确保系统在各种环境条件下的稳定性和鲁棒性。

关键创新：最重要的技术创新在于将NMPC与INDI相结合，形成了一种新颖的控制策略，使得在欠驱动四旋翼平台上实现复杂的接触操作成为可能。与现有方法相比，该方法无需复杂的机械结构或专用传感器。

关键设计：在控制器设计中，关键参数包括参考渗透深度、控制增益等，损失函数则考虑了位置和力的跟踪误差，确保了控制的精确性和稳定性。

🖼️ 关键图片

fig_0
fig_1
fig_2

📊 实验亮点

实验结果显示，所提控制框架在多种接触条件下均能实现鲁棒的五自由度末端执行器姿态和接触力跟踪，且在不同摩擦和风扰动条件下表现出优异的稳定性，显著提升了操作的精确性和可靠性。

🎯 应用场景

该研究的潜在应用领域包括无人机在建筑、农业和救援等场景中的操作，能够有效提升无人机在复杂环境中的作业能力。未来，该技术有望推动无人机在更多实际应用中的普及，提升其自主操作水平。

📄 摘要（原文）

We present a robust contact-aware control framework for aerial writing on an underactuated platform. The framework combines nonlinear model predictive control (NMPC) for accurate end-effector position and normal-force tracking at small reference penetration depths, with consistent performance across controller tunings, with whole-body incremental nonlinear dynamic inversion (INDI) for robustness to frictional and aerodynamic disturbances during contact. The proposed controllers are validated on a quadrotor-based aerial manipulator with a rigid, single-link, one-degree-of-freedom (DoF) arm in simulation and real-world experiments. The aerial writing experiments span vertical and inclined surfaces, multiple reference forces, different friction conditions, and wind disturbances. The results demonstrate that robust simultaneous five-DoF end-effector pose and contact-force tracking is achievable on a standard underactuated quadrotor with a simple, rigid, single-link arm, without requiring a fully actuated platform, a complex arm, or dedicated force/torque sensing.