Decentralized control of a torque-actuated aerial manipulator

The field of aerial robotics is undergoing a critical transition from passive observation of the environment to active, physical interaction with the environment. However, existing aerial manipulation systems either rely on flight-efficient but underactuated bases with rigid arms lacking compliance, or employ fully actuated platforms that sacrifice payload capacity and endurance. Furthermore, bridging the sim-to-real gap remains a persistent challenge, as simplified models often fail to capture the low-level actuation dynamics necessary for safe physical interaction. This thesis addresses these limitations by proposing a novel, balanced architecture that combines the omnidirectional wrench capabilities of a fully actuated tilted hexarotor (TiltHex) with the high-bandwidth compliance of a 2-DoF Quasi-Direct Drive (QDD) robotic arm (ODRIArm). The complete realization of this custom prototype, named TiltODRI, is supported by rigorous system identification and the development of a high-fidelity Digital Twin that accurately mirrors the platform dynamics. To enable robust and safe physical interaction, a decentralized control framework is formulated and validated, by integrating a Geometric tracking controller on R^3 x SO(3) for the aerial base with a sensorless Impedance Control strategy for the manipulator, augmented by a momentum-based Residual Observer for external wrench estimation. The proposed models and control architectures undergo a comprehensive experimental validation, advancing from dynamic simulations to a successful real-world deployment in a pick-and-place mission, establishing a reliable hardware and software baseline for compliant aerial manipulation.

Il campo della robotica aerea sta attraversando una transizione critica, passando da un'osservazione passiva dell'ambiente all'interazione fisica con l'ambiente. Tuttavia, i sistemi di manipolazione aerea esistenti rivelano un sostanziale mancanza: o utilizzano piattaforme molto performanti ma esibiscono limitate capacità di attuazione, essendo dotate di bracci rigidi inadatti all'interazione, oppure impiegano piattaforme completamente attuate che sacrificano la capacità di carico e l'autonomia. Oltre a ciò, un'importante sfida in questo campo consiste nel colmare il divario tra simulazione e realtà, poiché i modelli semplificati normalmente utilizzati spesso non riescono a catturare le dinamiche di attuazione necessarie per interagire in modo sicuro con l'ambiente. La presente tesi affronta queste limitazioni proponendo un'architettura innovativa e bilanciata, che combina le capacità di movimento omnidirezionale di un esarotore a eliche inclinate completamente attuato (TiltHex) con la capacità di interazione di un braccio robotico a 2 gradi di libertà (ODRIArm) ad azionamento quasi-diretto (QDD). La realizzazione completa di questo prototipo, denominato TiltODRI, è supportata da una rigorosa identificazione del modello e dallo sviluppo di un digital twin ad alta fedeltà che riflette accuratamente le dinamiche della piattaforma. Per consentire un'interazione fisica robusta e sicura, viene formulato e validato un framework di controllo decentralizzato, integrando un controllore geometrico di posizione in R^3 x SO(3) per la base aerea, con una strategia di controllo di impedenza priva di sensori per il manipolatore, supportato da un osservatore del residuo di coppia basato sul momento per la stima delle forze esterne. I modelli e le architetture di controllo proposti sono sottoposti a una campagna di test completa, passando da simulazioni dinamiche a una validazione sperimentale in una missione completa di pick-and-place, verificando che il prototipo realizzato costituisca una base affidabile, sia per quanto riguarda le componenti elettromeccaniche, sia per quanto concorre il codice sviluppato per la manipolazione aerea e l'interazione con l'ambiente.