[论文解读] Autonomous Aerial Non-Destructive Testing: Ultrasound Inspection with a Commercial Quadrotor in an Unstructured Environment

Ruben Veenstra, Barbara Bazzana+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2026

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一句话总结

该论文提出了一套完全自主的 NDT 系统，将商业 Flyability Elios 3 四旋翼平台改装为具超声波检测载荷，并配备基于进入/退出的交互控制器，在仅使用机载传感的情况下，在非结构化环境中执行接触式 UT 测量。

ABSTRACT

This work presents an integrated control and software architecture that enables arguably the first fully autonomous, contact-based non-destructive testing (NDT) using a commercial multirotor originally restricted to remotely-piloted operations. To allow autonomous operation with an off-the-shelf platform, we developed a real-time framework that interfaces directly with its onboard sensor suite. The architecture features a multi-rate control scheme: low-level control is executed at 200 Hz, force estimation at 100 Hz, while an admittance filter and trajectory planner operate at 50 Hz, ultimately supplying acceleration and yaw rate commands to the internal flight controller. We validate the system through physical experiments on a Flyability Elios 3 quadrotor equipped with an ultrasound payload. Relying exclusively on onboard sensing, the vehicle successfully performs autonomous NDT measurements within an unstructured, industrial-like environment. This work demonstrates the viability of retrofitting off-the-shelf platforms for autonomous physical interaction, paving the way for safe, contact-based inspection of hazardous and confined infrastructure.

研究动机与目标

• 在 GNSS-denied、非结构化环境中，使用现货四旋翼展示自主的、基于接触的非破坏性测试（NDT）。
• 开发一个能够与平台传感器实时交互、实现自主物理交互和 UT 数据采集的机载软件框架。
• 设计一个多速率控制栈（低层 200 Hz，力估计 100 Hz，进入/轨迹规划 50 Hz），实现与表面的稳定接触。
• 通过在 Flyability Elios 3 的工业化类测试床上的真实 UT 测量，验证方法的可重复性和鲁棒性。

提出的方法

• 使用间接力控制策略（进入滤波器）将运动控制与相互作用力解耦。
• 实现基于加速度的力观测器，在没有专用力传感器的情况下估计外部扭矩/力。
• 通过开源轨迹规划器以 50 Hz 生成平滑轨迹；将其输入进入滤波器以产生顺从参考。
• 计算加速度和偏航角速度指令给内部 PD 控制器，以跟踪顺从轨迹，同时对估计的外部力进行抵消。
• 通过在飞行中对不同有效载荷质量进行最小二乘法拟合，识别推力系数 c_f，以校准转子力模型。
• 描述一个模块化的检查流程，包含空闲、接近、准备接触、前进、执行测量和分离等状态。

实验结果

研究问题

• RQ1 商业、欠驱动的 Elios 3 四旋翼是否能够仅利用机载传感在非结构化环境中自主执行接触式 UT 厚度测量？
• RQ2 如何将进入/力控制与商业飞控集成，以确保稳定接触和准确的 UT 数据采集？
• RQ3 在 GNSS 受限环境中，哪些实际的指导因素（轨迹平滑、顺从交互和力参考的调优）能够实现可靠的 NDT 数据获取？

主要发现

• 自主系统在接触式 UT 测量中相对于里程计实现了厘米级的 inspection 精度。
• UT 测量显示稳定、信号质量良好，力/轨迹振荡较低，表明接触保持和测量可靠性良好。
• 与人工驾驶员检查相比，自治方法表现出更高的重复性和更低的测量不稳定性。
• 在所报道的实验中，墙厚度的测量值为 3 ± 0.04 mm。
• 接触过程中的力保持有界且稳定，在需要时通过分离操作成功使磁性探头脱离。