Agile aerial manipulation: an approach based on full-body dynamics and model predictive control
Authors:   , Martí Saumell Josep 
Published: November 2024

(English) Aerial manipulators, which commonly take the form of multirotors with attached robotic limbs, primarily employ their limbs for pure manipulation tasks and do not rely on them during aerial locomotion. Besides, their movement tends to be slow. This thesis aims to enhance an aerial manipulator’s agility by harnessing its limb’s capabilities to augment its overall motion. This objective involves investigating various modes of utilizing the limb: as a tail for aerial locomotion, as an arm for aerial manipulation, or as a leg for hybrid aerial-contact locomotion. The present thesis contributes to two specific domains: 1. Generation and control of agile motions for aerial manipulators, 2. Design and construction of a specialized aerial manipulator for executing agile motions.

Generating agile motions requires predicting the movement of the robot considering its dynamics so that these dynamics can be used to favor the robot’s motion. Hence, we can achieve complex maneuvers with relative ease. Optimal control is a trajectory-generation technique that meets these requirements, and that is central to this thesis. We encode the robot’s tasks as cost functions of the optimal control problem (OCP) and use the whole-body dynamics as the constraints of the dynamic system. On the control side, to deploy such trajectories in a real robot, we use model predictive control (MPC) techniques, which is the closed-loop control extension of optimal control. To get the control command, an MPC controller solves the OCP in which we have encoded the agile trajectory, and then the controller applies the first command of the solution control trajectory. Thus, MPC requires solving an OCP at the control rate, i.e., within a few milliseconds. This forces us to use fast, specialized solvers based on the dynamic programming principle, such as differential dynamic programming (DDP). In their original form, these solvers cannot consider the control bounds. These bounds are important to create trajectories compatible with the real robot. To tackle this problem, in this thesis, we propose two DDP-based methods to consider the control bounds: one is based on a squashing function, and the other is based on a projection method. Even with these solvers, we face challenges in meeting the solving rate and are forced to reduce the MPC horizon. Reducing the MPC horizon implies that the MPC can only see a portion of the original OCP, possibly leaving out some of the tasks. This affects the predictive capability of the controller and compromises the accomplishment of the tasks, especially those that require an elaborate and dynamic maneuver. To overcome this difficulty, in this thesis, we propose to update, at each MPC iteration, the terminal cost function in the MPC with a function that encodes the part of the trajectory that remains unseen by the controller.

Regarding robot design, deploying agile motions becomes difficult with existing aerial manipulators, which are generally big-size multirotor platforms with non-compliant, high-gear ratio limbs. In this thesis, we present Borinot, an open-source aerial robotic platform designed to research hybrid agile locomotion and manipulation using flight and contacts. This platform features an agile and powerful hexarotor that can be outfitted with torque-actuated limbs of diverse architecture, allowing for whole-body dynamic control. We present experiments with this robot showcasing different agile motions.

In addition to the stated contributions, this thesis contributes in other areas required to operate the robot, such as a procedure for identifying the dynamical parameters based on factor-graph estimation or a hardware enhancement that allows for direct thrust control of Borinot’s rotors.
(Català) Els manipuladors aeris, els quals normalment prenen la forma de multirotors amb extremitats robòtiques afegides, utilizen aquestes extremitats per tasques purament de manipulació i, en canvi, no les fan servir durant la locomoció aèria. A més, solen tenir un moviment lent. Aquesta tesi té per objectiu millorar l’agilitat dels manipuladors aeris aprofitant la seva extremitat per afavorir el moviment del robot. Aquest objectiu implica investigar varis modes d’utilitzar l’extremitat: com una cua per locomoció aèria, com un braç per manipulació aèria, o com una cama per fer una locomoció híbrida aèria i per contactes. La present tesi contribueix en dos aspectes concrets: 1. Generació i control de trajectòries àgils per manipuladors aeris, 2. Disseny i construcció d’un manipulador aeri especialitzat en executar moviment àgils.

La generació de moviments àgils requereix la predicció del moviment del robot considerant la seva dinàmica, de tal manera que poguem utilitzar aquesta dinàmica per afavorir el seu moviment. Així, podem aconseguir maniobres complexes amb una relativa facilitat. El control òptim és una tècnica de generació de trajectòries que compleix amb aquests requirements i que és central en aquesta tesi. Codifiquem les tasques del robot mitjançant les funcions de cost del problema de control òptim i fem servir la dinàmica de cost complet com a restriccions dinàmiques. Pel que fa al control, fem servir tècniques de control predictiu basades en models (MPC). Per obtenir la comanda de control, un controlador MPC soluciona el problema de control òptim en el qual hem codificat la trajectòria àgil. Després, aplica la primera comanda de la trajectòria de control solució del problema. Un controlador MPC requereix solucionar el problema de control òptim a la freqüència de control, és a dir, en pocs milisegons. Aquest fet ens obliga a utilitzar solucionadors especialitzats i ràpids basats en el principi de la programació dinàmcia, com els solucionadors de programació dinàmica diferencials (DDP). En la seva forma original, aquests solucionadors no poden considerar els límits del control. Aquests límits son importants per poder crear trajectòries compatibles amb un robot real. Per afrontar aquest problema, proposem dos mètodes basats en DDP per tal de considerar els límits del control: un és basat en una sigmoide, i l’altre es base en un mètode de projecció. Tot i usant aquests solucionadors especialitzats, encara tenim dificultats per aconseguir la freqüencia de solució desitjada i ens veiem obligats a reduir l’horitzó de l’MPC. Aquesta reducció afecta la capacitat de predicció del controlador i compromet l’acompliment de les tasques, especialment aquelles que requereixen l’elaboració d’una maniobra complexa. Per superar aquest obstacle, en aquesta tesi, proposem d’actualitzar la funció de cost terminal de l’MPC amb una funció que codifica la part de la trajectòria que es manté fora de l’horitzó del controlador. Referent al disseny del robot, executar moviments àgils esdevé complicat amb els manipuladors aeris existents, els quals són formats generalment per multirotors de grans dimensions, i amb extremitats rígides i amb elevades relacions de transimissió. En aquesta tesi, presentem el Borinot, una plataforma aèria d’accés obert dissenyada per fer recerca en locomoció àgil i híbrida fent servir el vol i els contactes. Aquesta plataforma consta d’un hexarotor àgil i potent que pot acomodar extremitats controlades per parell de diversa morfologia, permetent el control dinàmic de cos complet. A més, presentem experiments amb aquest robot demostrant diferents trajectòries àgils.

A més de les contribucions esmentades, aquesta tesi contribueix en altres àrees que són necessàries per l’operació del robot. Aquestes àrees inclouen la identificaió dels paràmetres dinàmics del model basada en l’estimació per factor-graph, o desenvolupaments de dispositius que permeten el control directe de la força creada per les hèlices del multirotor.