Show simple item record

dc.contributorAndrade-Cetto, Juan
dc.contributor.authorSantamaria Navarro, Àngel
dc.contributor.otherUniversitat Politècnica de Catalunya. Institut d'Organització i Control de Sistemes Industrials
dc.date.accessioned2018-01-12T09:18:59Z
dc.date.available2018-01-12T09:18:59Z
dc.date.issued2017-04-24
dc.identifier.citationSantamaria Navarro, À. Visual guidance of unmanned aerial manipulators. Tesi doctoral, UPC, Institut d'Organització i Control de Sistemes Industrials, 2017. DOI 10.5821/dissertation-2117-112779.
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/2117/112779
dc.descriptionFinalista del Georges Giralt PhD Award 2018, a la millor tesi europea sobre robòtica
dc.description.abstractThe ability to fly has greatly expanded the possibilities for robots to perform surveillance, inspection or map generation tasks. Yet it was only in recent years that research in aerial robotics was mature enough to allow active interactions with the environment. The robots responsible for these interactions are called aerial manipulators and usually combine a multirotor platform and one or more robotic arms. The main objective of this thesis is to formalize the concept of aerial manipulator and present guidance methods, using visual information, to provide them with autonomous functionalities. A key competence to control an aerial manipulator is the ability to localize it in the environment. Traditionally, this localization has required external infrastructure of sensors (e.g., GPS or IR cameras), restricting the real applications. Furthermore, localization methods with on-board sensors, exported from other robotics fields such as simultaneous localization and mapping (SLAM), require large computational units becoming a handicap in vehicles where size, load, and power consumption are important restrictions. In this regard, this thesis proposes a method to estimate the state of the vehicle (i.e., position, orientation, velocity and acceleration) by means of on-board, low-cost, light-weight and high-rate sensors. With the physical complexity of these robots, it is required to use advanced control techniques during navigation. Thanks to their redundancy on degrees-of-freedom, they offer the possibility to accomplish not only with mobility requirements but with other tasks simultaneously and hierarchically, prioritizing them depending on their impact to the overall mission success. In this work we present such control laws and define a number of these tasks to drive the vehicle using visual information, guarantee the robot integrity during flight, and improve the platform stability or increase arm operability. The main contributions of this research work are threefold: (1) Present a localization technique to allow autonomous navigation, this method is specifically designed for aerial platforms with size, load and computational burden restrictions. (2) Obtain control commands to drive the vehicle using visual information (visual servo). (3) Integrate the visual servo commands into a hierarchical control law by exploiting the redundancy of the robot to accomplish secondary tasks during flight. These tasks are specific for aerial manipulators and they are also provided. All the techniques presented in this document have been validated throughout extensive experimentation with real robotic platforms.
dc.description.abstractLa capacitat de volar ha incrementat molt les possibilitats dels robots per a realitzar tasques de vigilància, inspecció o generació de mapes. Tot i això, no és fins fa pocs anys que la recerca en robòtica aèria ha estat prou madura com per començar a permetre interaccions amb l’entorn d’una manera activa. Els robots per a fer-ho s’anomenen manipuladors aeris i habitualment combinen una plataforma multirotor i un braç robòtic. L’objectiu d’aquesta tesi és formalitzar el concepte de manipulador aeri i presentar mètodes de guiatge, utilitzant informació visual, per dotar d’autonomia aquest tipus de vehicles. Una competència clau per controlar un manipulador aeri és la capacitat de localitzar-se en l’entorn. Tradicionalment aquesta localització ha requerit d’infraestructura sensorial externa (GPS, càmeres IR, etc.), limitant així les aplicacions reals. Pel contrari, sistemes de localització exportats d’altres camps de la robòtica basats en sensors a bord, com per exemple mètodes de localització i mapejat simultànis (SLAM), requereixen de gran capacitat de còmput, característica que penalitza molt en vehicles on la mida, pes i consum elèctric son grans restriccions. En aquest sentit, aquesta tesi proposa un mètode d’estimació d’estat del robot (posició, velocitat, orientació i acceleració) a partir de sensors instal·lats a bord, de baix cost, baix consum computacional i que proporcionen mesures a alta freqüència. Degut a la complexitat física d’aquests robots, és necessari l’ús de tècniques de control avançades. Gràcies a la seva redundància de graus de llibertat, aquests robots ens ofereixen la possibilitat de complir amb els requeriments de mobilitat i, simultàniament, realitzar tasques de manera jeràrquica, ordenant-les segons l’impacte en l’acompliment de la missió. En aquest treball es presenten aquestes lleis de control, juntament amb la descripció de tasques per tal de guiar visualment el vehicle, garantir la integritat del robot durant el vol, millorar de l’estabilitat del vehicle o augmentar la manipulabilitat del braç. Aquesta tesi es centra en tres aspectes fonamentals: (1) Presentar una tècnica de localització per dotar d’autonomia el robot. Aquest mètode està especialment dissenyat per a plataformes amb restriccions de capacitat computacional, mida i pes. (2) Obtenir les comandes de control necessàries per guiar el vehicle a partir d’informació visual. (3) Integrar aquestes accions dins una estructura de control jeràrquica utilitzant la redundància del robot per complir altres tasques durant el vol. Aquestes tasques son específiques per a manipuladors aeris i també es defineixen en aquest document. Totes les tècniques presentades en aquesta tesi han estat avaluades de manera experimental amb plataformes robòtiques reals
dc.format.extent172 p.
dc.language.isoeng
dc.publisherUniversitat Politècnica de Catalunya
dc.rightsL'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
dc.sourceTDX (Tesis Doctorals en Xarxa)
dc.titleVisual guidance of unmanned aerial manipulators
dc.typeDoctoral thesis
dc.identifier.doi10.5821/dissertation-2117-112779
dc.description.awardwinningAward-winning
dc.rights.accessOpen Access
dc.description.versionPostprint (published version)
dc.relation.projectidinfo:eu-repo/grantAgreement/EC/H2020/644271/EU/AErial RObotic system integrating multiple ARMS and advanced manipulation capabilities for inspection and maintenance/AEROARMS
dc.relation.projectidinfo:eu-repo/grantAgreement/EC/FP7/287617/EU/Aerial Robotics Cooperative Assembly System/ARCAS
dc.identifier.tdxhttp://hdl.handle.net/10803/459063


Files in this item

Thumbnail

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record