[论文解读] Collaborative Object Transportation Using MAVs via Passive Force Control

Andrea Tagliabue, Mina Kamel+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2016

Distributed Control Multi-Agent Systems参考文献 13被引用 4

一句话总结

本文提出了一种无需通信的、被动的力控制策略，用于使用两架微型飞行器（MAVs）协同运输物体，其中一架MAV作为主控，另一架作为从控。从控使用导纳控制器和基于无迹卡尔曼滤波（UKF）的力估计算法，基于视觉-惯性状态估计实现柔顺性，从而在无需了解负载形状或抓取点信息的情况下，实现对1.2米长负载的鲁棒、柔顺运输。

ABSTRACT

This paper shows a strategy based on passive force control for collaborative object transportation using Micro Aerial Vehicles (MAVs), focusing on the transportation of a bulky object by two hexacopters. The goal is to develop a robust approach which does not rely on: (a) communication links between the MAVs, (b) the knowledge of the payload shape and (c) the position of grasping point. The proposed approach is based on the master-slave paradigm, in which the slave agent guarantees compliance to the external force applied by the master to the payload via an admittance controller. The external force acting on the slave is estimated using a non-linear estimator based on the Unscented Kalman Filter (UKF) from the information provided by a visual inertial navigation system. Experimental results demonstrate the performance of the force estimator and show the collaborative transportation of a 1.2 m long object.

研究动机与目标

• 在不依赖MAV之间通信的前提下，实现对大型负载的鲁棒协同运输。
• 通过消除对负载形状和抓取点知识的依赖，克服集中式与分布式控制的局限性。
• 开发一种可扩展的、仿生的主从控制架构，以增强MAV的运输能力。
• 设计一种计算高效的、基于UKF的外部力估计算法，利用视觉-惯性状态估计实现实时柔顺性。
• 在无需动捕系统的情况下，实现人机交互与碰撞检测能力。

提出的方法

• 采用主从控制范式，主控负责轨迹规划，从控通过导纳控制器实现柔顺性。
• 实施导纳控制器，根据估计的外部力和力矩动态调整从控轨迹。
• 使用非线性无迹卡尔曼滤波（UKF）估计算法，基于MAV状态数据（位置、速度、姿态、角速度）估计外部力和力矩。
• 集成视觉-惯性导航系统（VI-Sensor），在无需动捕系统的情况下提供实时状态估计。
• 采用基于四元数的UKF公式化方法，以处理姿态动力学并确保计算效率。
• 通过设定外部力估计值的阈值实现碰撞检测，并在20毫秒内触发安全轨迹重规划算法。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不依赖车辆间通信的情况下实现MAV的协同运输？
• RQ2 仅依靠机载传感，被动力控制策略是否能够实现与负载的柔顺交互？
• RQ3 在无动捕系统的情况下，能否利用视觉-惯性系统高精度估计外部力？
• RQ4 系统是否能够实现实时碰撞检测，并以极低延迟作出响应？
• RQ5 该方法是否可扩展至多个从控，并在真实世界干扰下保持鲁棒性？

主要发现

• 力估计算法在x、y、z方向上的外部力估计均方根误差分别为0.43 N、0.49 N和0.57 N。
• 碰撞检测响应时间小于20 ms，检测到碰撞发生在3.870 s，实际冲击发生在3.887 s，表明系统响应迅速。
• 系统成功使用两架六旋翼飞行器，通过在x和y轴上实现柔顺控制，完成了对1.2米长、0.37 kg纸管的运输。
• 导纳控制器在z轴上保持了稳定的高度跟踪，虚拟弹簧刚度为10 N/m。
• 在t=22 s时检测到峰值外部力矩0.8 Nm，对应于螺旋桨与负载发生碰撞。
• 通过系绳实现的实时人机交互实验，验证了系统在人机交互中的柔顺性与响应能力。