Increasing the Maneuverability of Multirotor Vehicles: Attitude Control, an Omni-Directional Multirotor Vehicle, and Trajectory Generation
Dario Brescianini · Repository for Publications and Research Data (ETH Zurich) · 2018
This thesis addresses three specific topics aimed at increasing the maneuverability of multirotor vehicles.Over the past decade, multirotor vehicles have evolved from popular research subjects to mature robotic platforms that are entering commercial use beyond recreational or experimental applications.As multirotor vehicles perform an increasingly large set of tasks, the need to increase their robustness and reliability and extend their capabilities emerges.The three topics investigated in this thesis are 1) attitude control and control allocation for quadrocopters, 2) design, modelling, and control of an omnidirectional multirotor vehicle, and 3) trajectory generation for fully-actuated multirotor vehicles.Traditional multirotor vehicles are inherently under-actuated and can only generate thrust in a single direction perpendicular to their rotor disks.As a consequence, their position and attitude dynamics are coupled and the direction of acceleration is determined by the vehicle's attitude.However, only two of the attitude's three degrees of freedom are relevant for the position dynamics; the alignment of the vehicle about its thrust direction does not affect its position dynamics.This thesis presents an attitude tracking control law and control allocation strategy that prioritizes the ability of the vehicle to achieve a desired acceleration over the correction of the rotation error about the vehicle's thrust direction.In particular, an attitude tracking control law is derived that decouples the alignment of the thrust direction from the rotation error about the thrust direction, and hence, if the available control authority becomes scarce, tracking of the crucial thrust direction can be prioritized without wasting control effort on attitude errors that are not relevant for the position dynamics.Due to the coupling of the position and attitude dynamics of traditional multirotor vehicles, their set of feasible position and attitude maneuvers is severely limited.Furthermore, their inability to generate thrusts and torques in any direction degrades their performance in applications such as aerial physical interaction, where it is often required to instantaneously suppress arbitrary force and torque disturbances.This thesis presents the design of a fully-actuated multirotor vehicle, i.e. a vehicle that can generate thrusts and torques in any direction.Specifically, a vehicle is presented that is capable of generating sufficient thrust in any direction such that it can hover at any attitude and accelerate in any direction.To exploit the vehicle's omni-directionality and decoupled position and attitude dynamics, a control strategy is devised that enables the vehicle to simultaneously i Abstract track position and attitude trajectories.A key feature required for the autonomous operation of any multirotor vehicle is the ability to plan trajectories that respect the vehicle's system dynamics and input constraints.This thesis investigates the topic of trajectory generation for fully-actuated multirotor vehicles and presents a method to generate trajectories from any desired initial state, defined by position, velocity and attitude, to any desired final state in a given time.The method consists of computing translational and rotational motion primitives for which closed-form solutions exist and subsequently verifying their feasibility using conservative but computationally light-weight approximations of the input constraints.Each of the topics investigated in this thesis is complemented by experimental demonstrations carried out in the Flying Machine Arena, a test bed for aerial robotic research.ii Kurzfassung Die vorliegende Arbeit befasst sich mit drei verschiedenen Themen zur Verbesserung der Manövrierfähigkeit von Multikoptern.Im Laufe des letzten Jahrzehnts haben sich Multikopter von populären Forschungsobjekten zu ausgereiften Roboterplattformen entwickelt, welche zunehmend komerziell genutzt werden.Infolge der immer weiter verbreiteten Nutzung von Multikoptern und deren immer grösser werdendem Aufgabengebiet entsteht die Notwendigkeit, deren Robustheit und Zuverlässigkeit zu erhöhen, sowie auch deren Fähigkeiten zu erweitern.In dieser Arbeit werden speziell die folgenden drei Aspekte untersucht: 1) Lageregelung und Steuerungszuweisung für Quadrokopter, 2) Konstruktion, Modellierung und Steuerung eines omnidirektionalen Multikopters und 3) Trajektoriengenerierung für vollaktuierte Multikopter.Herkömmliche Multikopter sind unteraktuiert und können nur Schub in eine einzelne Richtung, senkrecht zu ihren Rotoren, erzeugen.Infolgedessen sind ihre Positions-und Lagedynamik gekoppelt und die Beschleunigungsrichtung ist durch die Lage des Multikopters bestimmt.Es sind jedoch nur zwei der drei Lagefreiheitsgrade für die Positionsdynamik relevant; die Ausrichtung um die Schubachse wirkt sich nicht auf die Beschleunigung respektive die Positionsdynamik aus.Diese Arbeit präsentiert eine Strategie für die Lageregelung und Steuerungszuweisung, welche die Korrektur der Schubausrichtung gegenüber der Korrektur des Rotationsfehlers um die Schubrichtung bevorzugt.Insbesondere wird ein Lageregler entworfen, welcher die Dynamik der Schubausrichtung vom Rotationsfehler um die Schubrichtung entkoppelt.Dies ermöglicht es, die Korrektur der kritischen Schubausrichtung im Fall von knapper Steuerautorität zu bevorzugen ohne Steueraufwand für die Korrektur von Lagefehlern zu verschwenden, welche für die Positionsdynamik irrelevant sind.Die Kopplung der Positions-und Lagedynamik von herkömmlichen Multikoptern schränkt ihre Manövrierfähigkeit beträchtlich ein.Zusätzlich mindert ihre Unfähigkeit Schübe und Drehmomente in jede Richtung zu erzeugen ihre Leistung in Anwendungen, in welchen mit der Umgebung interagiert wird, da diese oftmals eine unverzügliche Unterdrückung von Kraft-und Drehmomentstörungen erfordern.Diese Arbeit präsentiert die Konstruktion eines vollaktuierten Multikopters, das heisst eines Multikopters, welcher Schübe und Drehmomente in jede Richtung erzeugen kann.Insbesondere wird ein Multikopter vorgestellt, welcher in jede Richtung genügend Schub erzeugen kann, so dass er in jeder Lage schweben und in jede Richtung beschleunigen kann.Um die uneingeschränkte iii Kurzfassung Manövrierfähigkeit dieses neuartigen Multikopters zu nutzen, wird eine Regelungsstrategie entwickelt, welche es ermöglicht gleichzeitig einer Positions-und einer Lagetrajektorie zu folgen.Eine Schlüsselkomponente für den autonomen Betrieb eines jeden Multikopters ist die Fähigkeit Trajektorien zu planen, welche die Systemdynamik als auch Einschränkungen der Steuerungsgrössen berücksichtigen.Diese Arbeit befasst sich mit der Trajektoriengenerierung für vollaktuierte Multikopter und stellt eine Methode vor um Trajektorien zu generieren, welche Multikopter in einer vorgegeben Zeit von jedem beliebigen Anfangszustand, definiert durch Position, Geschwindigkeit und Lage, zu jedem beliebigen Endzustand führen.Die Methode besteht aus der Berechnung von Bewegungsgrundelementen für die Position und Lage, für welche analytische Lösungen existieren, und deren anschliessender Machbarkeitsüberprüfung unter Verwendungung von konservativen, jedoch recheneffizienten Annäherungen der Steuerungsbeschränkungen.Jedes der in dieser Arbeit untersuchten Themen wird durch experimentelle Demonstrationen in der Flying Machine Arena ergänzt, einer Testumgebung für die Erforschung von Flugrobotern.iv