Generazione della traiettoria e controllo per un manipolatore robotico aereo

This work aims to create an algorithm for the trajectory generation of a system composed by a quadrotor equipped with a robotic manipulator, in order to carry out operations of aerial manipulation. After a general introduction on the possible use of this particular system, the kinematic and dynamic models of the drone and of its robotic arm are presented. Then the whole system is shown. A model of this system has also been developed through the software Dymola. The two different ways of constrained optimization that have been used to produce a trajectory, able to track a known reference of the manipulator end-effector while respecting the physical and geometric limits of the whole system, are described and compared, as the core of this work. The results of the optimization process are the inputs for the control scheme of the system, which has been designed and interfaced with the model developed in Dymola. The manipulator is controlled through a classical P/PI scheme, while for the aerial vehicle an external loop is used that regulates its position with PD controllers as well as an internal loop that operates its orientation through PID regulators. An analysis is also carried out on the effects of changes in the inertial terms on the controller of the quadrotor. With reference to a prototype of an aerial manipulator, some model parameters are finally identified through experiments.

La presente tesi ha come obiettivo la realizzazione di un algoritmo di generazione della traiettoria per un sistema composto da un quadricottero equipaggiato con un manipolatore robotico per realizzare compiti di manipolazione aerea. Dopo un'introduzione generale sulle possibili applicazioni di un sistema di questo genere, vengono presentati i modelli cinematici e dinamici del drone e del braccio robotico per poi passare a quello del sistema complessivo. Un modello per la simulazione di questo sistema viene anche sviluppato tramite il software Dymola. Nella parte centrale dell'elaborato vengono presentate e confrontate due tipologie di ottimizzazione vincolata utilizzate per generare una traiettoria che garantisca l'inseguimento di un dato riferimento dell'end-effector nel rispetto dei limiti fisici e geometrici del sistema complessivo. I risultati del processo di ottimizzazione rappresentano gli input per lo schema di controllo del sistema che è stato progettato ed interfacciato con il simulatore sviluppato in Dymola. Il manipolatore robotico viene controllato per mezzo di un classico schema P/PI, mentre per il velivolo vengono usati un anello esterno, che regola la posizione tramite controllori PD, ed un anello interno, che ne gestisce l'orientamento, per mezzo di regolatori PID. Viene anche condotta un'analisi sull'influenza della variazione dei termini inerziali sulla stabilità del controllo del quadricottero. Con riferimento infine ad un prototipo sperimentale di manipolatore aereo vengono identificati alcuni parametri fondamentali, utilizzati nel controllo e nel modello del sistema, attraverso prove sperimentali e disegni CAD.