《Aerial Manipulation》

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《Aerial Manipulation》
空中操纵
作者：
Matko Orsag
Christopher Korpela
Paul Oh
Stjepan Bogdan
出版社：Springer
出版时间：2018年

《Aerial Manipulation》

《Aerial Manipulation》

《Aerial Manipulation》

《Aerial Manipulation》

目录
1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 The State of the Art and Future of Aerial Robotics . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Physical Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2 Aerial Manipulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.3 The Design of Aerial Manipulation Systems. . . . . . . . . . . . 9
1.1.4 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.5 Conclusions and Future of Aerial Robotics. . . . . . . . . . . . . 12
1.2 Structure of the Book . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2 Coordinate Systems and Transformations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1 Coordinate Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1.1 Global Coordinate System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1.2 Local Coordinate System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1.3 Coordinate System Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2 Coordinate Transformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.1 Orientation Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.2 Euler Angles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.3 Change of Frame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.4 Translation and Rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3 Motion Kinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.1 Linear and Angular Velocities. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.2 Rotational Transformations of a Moving Body . . . . . . . . . . 29
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3 Multirotor Aerodynamics and Actuation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1 The Aerodynamics of Rotary Flight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1.1 Momentum Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.1.2 Blade Element Theory. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2 Different Multirotor Configurations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.1 Coplanar Configuration of Propulsors . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.2 Independent Control of All 6 DOF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3 Aerial Manipulation Actuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.3.1 DC Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.3.2 Brushless DC Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.3.3 Servo Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.3.4 2-Stroke Internal Combustion Engine . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4 Aerial Manipulator Kinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.1 Manipulator Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2 Forward Kinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.2.1 DH Kinematic Parameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.2.2 The Arm Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.2.3 Moving Base Frame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.3 Inverse Kinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.3.1 Tool Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.3.2 Existence and Uniqueness of Solution . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.3.3 Closed-Form Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.3.4 Iterative Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.4 Inverse Kinematics Through Differential Motion . . . . . . . . . . . . . . 110
4.4.1 Jacobian Matrix. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.4.2 Inverse Kinematics—Jacobian Method . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.4.3 Inverting the Jacobian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5 Aerial Manipulator Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.1 Newton–Euler Dynamic Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.1.1 Forward Equations in Fixed Base Coordinate
System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.1.2 Forward Equations in a UAV (Moving) Coordinate
System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.1.3 Multiple Rigid Body System Mass and Moment
of Inertia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.1.4 Backward Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.2 Lagrange–Euler Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.2.1 Aerial Robot Kinetic Energy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.2.2 Moment of Inertia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.3 Dynamics of Aerial Manipulator in Contact
with Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.3.1 Momentary Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.3.2 Loose Coupling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
5.3.3 Strong Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
6 Sensors and Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.1 Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.1.1 Inertial Measurement Unit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.1.2 Cameras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.1.3 GPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.1.4 Motion Capture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.2 Sensor Fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.2.1 Attitude Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
6.2.2 Position Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.3 Linear Control System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
6.3.1 Attitude Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
6.3.2 Position Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
6.4 Robust and Adaptive Control Applications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
6.4.1 Gain Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
6.4.2 Model Reference Adaptive Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
6.4.3 Backstepping Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
6.4.4 Hsia - a Robust Adaptive Control Approach. . . . . . . . . . . . 198
6.5 Impedance Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
6.6 Switching Stability of Coupling Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
7 Mission Planning and Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
7.1 Path Planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
7.1.1 Trajectory Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
7.2 Obstacle-Free Trajectory Planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
7.2.1 Local Planner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
7.2.2 Global Planner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
7.3 Vision-Guided Aerial Manipulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
7.3.1 Autonomous Pick and Place . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
7.3.2 Transforming Camera-Detected Pose
to Global Pose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233


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