Manipulation and grasping with unmanned aerial vehicles (UAVs) currently require accurate positioning and are often executed at reduced speed to ensure successful grasps. This is due to the fact that typical UAVs can only accommodate rigid manipulators with few degrees of freedom, which limits their capability to compensate for disturbances caused by the vehicle positioning errors. Moreover, UAVs have to minimize external contact forces in order to maintain stability. Biological systems, on the other hand, exploit softness to overcome similar limitations, and leverage compliance to enable aggressive grasping. This paper investigates control and trajectory optimization for a soft aerial manipulator, consisting of a quadrotor and a tendon-actuated soft gripper, in which the advantages of softness can be fully exploited. To the best of our knowledge, this is the first work at the intersection between soft manipulation and UAV control. We present a decoupled approach for the quadrotor and the soft gripper, combining (i) a geometric controller and a minimum-snap trajectory optimization for the quadrotor (rigid) base, with (ii) a quasi-static finite element model and control-space interpolation for the soft gripper. We prove that the geometric controller asymptotically stabilizes the quadrotor velocity and attitude despite the addition of the soft load. Finally, we evaluate the proposed system in a realistic soft dynamics simulator, and show that: (i) the geometric controller is fairly insensitive to the soft payload, (ii) the platform can reliably grasp unknown objects despite inaccurate positioning and initial conditions, and (iii) the decoupled controller is amenable for real-time execution.


翻译:这是因为典型的无人驾驶飞行器只能容纳几度自由的僵硬操纵器,这限制了它们弥补车辆定位错误造成的干扰的能力。此外,无人驾驶飞行器必须尽量减少外部接触力量,以维持稳定。另一方面,生物系统利用软性来克服类似的限制,并充分利用合规性,以便能够积极捕捉。本文调查软性空中操纵器的控制和轨迹优化,该操作器包括一个夸德罗式的软性操纵器和一个旋转式的柔性触控器,其中可以充分利用软性操纵器的优势。据我们所知,这是在软性操纵和UAV控制之间的交叉点上首次工作。我们为夸德罗和软性控制器提出了一个分解方法,将(一) 几何性控制器和最小的倾斜度轨迹优化用于 qudrotor(硬性)基地,以及(二) 软性软性更精确的精确度控制控制器。(二) 软性、 软性更精确的轨迹定位器是我们最后的固定的基质模型和定式控制器 。

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