Aerodynamic effects on aerial humanoid robotics : modeling and control

The studying of Aerial Humanoid Robots remains many challenges to humanity. In previous studies on aerial robots, aerodynamic effects are commonly ignored due to low flying speed and indoor flying environment. However, aerial robots flying in critical environments can satisfy more requirements from human society. The thesis gives aerial robots the possibility to fly even with strong aerodynamic effects by researching on aerodynamic modeling of flying humanoid robots and control techniques towards aerodynamic effects on the flying robot. Effective aerodynamic modeling has major importance in building a more accurate model of the robotic system. And the parameters defined for aerodynamic modeling in the case of axisymmetric aerial vehicles from the previous studies are not sufficient to describe an arbitrary 3D object that has a complicated shape like humanoid robots. This thesis introduces a possible direction to deal with this problem with the help of CFD analyses. Towards the aerodynamic effects estimated by the identified model, control techniques related to gain scheduling and feedback linearization for flight control are proposed and validated by Matlab-based simulations.

Lo sviluppo di robot umanoidi volanti rappresenta una sfida per la comunità scientifica. Nello studio di queste macchine e di altre tipologie di robot volanti, gli effetti aerodinamici sono spesso ignorati per via delle basse velocità di volo e perchè gli esperimenti sono spesso condotti indoor, in ambienti controllati. Tuttavia, questi robot potrebbero operare meglio di un essere umano in ambienti critici e situazioni pericolose dove però tali fenomeni aerodinamici non possono generalmente essere trascurati. Questa tesi si concentra sulla modellazione degli effetti aerodinamici durante il volo nel caso di un robot umanoide volante (iRonCub), e sullo sviluppo tecniche di controllo in grado di garantire la stabilità del volo anche in presenza di tali fenomeni. Il lavoro è basato principalmente sulla ricerca di un modello che rappresenti in modo semplice ma efficace le forze aerodinamiche in gioco, dato che i modelli normalmente utilizzati per veicoli aerei assialsimmetrici non sono sufficienti a descrivere il robot umanoide per via della sua forma complessa. In questa tesi il modello delle forze aerodinamiche viene costruito basandosi sui dati ottenuti con delle simulazioni CFD di una versione semplificata del robot. Una volta ottenuto il modello delle forze aerodinamiche, tali forze sono simulate, insieme alla risposta dinamica del robot, in un ambiente di simulazione basato su Matlab-Simulink tramite il quale si valutano anche le prestazioni di un controllo del volo precedentemente realizzato. Infine, tale controllo viene robustificato rispetto alla presenza dei fenomeni aerodinamici tramite techniche di gain scheduling e compensazione degli effetti aerodinamici.