FLAIR - Flexibility in Aerial Robots
Final Report Abstract
Was ist luftgestützte Robotik? Im Bereich der Robotik ist die luftgestützte Robotik eine noch junge wissenschaftliche Disziplin. Multikoptersysteme (Quadroter, Hexaroter, etc.) halten seit einigen Jahren als Hobbydronen Einzug in unsere Vorgarten und Umgebung. Im professionellen Bereich werden Multikoptersysteme beispielsweise für Luftfotografie, Archäologie oder auch in der Landwitschaft verwendet. All diese Beispiele haben gemein, dass das Luftfahrzeug ausschließlich als passiver Sensor genutzt wird ohne aktive in seine Umgebung einzugreifen. Diese Lücke will die luftgestutzte Robotik schließen. Ziel ist es die theoretischen und praktischen Grundlagen für beliebige Luftfahrzeuge, wie unter anderem Multikopter oder Helikopter, zu schaffen um eine direkte physikalische Interaktion durchzuführen. Eine physikalische Interaktion kann dabei zwischen einem Luftfahrzeug und einem feststehenden oder sich bewegenden Objekt, einem weiteren Luftfahrzeug oder auch einem Menschen stattfinden. Dabei stößt die luftgestützte Robotik auf neue Herausforderungen im Vergleich zur herkömmlichen Robotik. Zunächst können Reaktionskräfte, die durch die Interaktion entstehen, nicht einfach vom Untergrund, auf dem sich ein Bodenroboter befindet, kompensiert werden. Stattdessen muss jede Interaktion aktiv durch das Luftfahrzeug ausgeglichen werden. Eine weitere besondere Herausforderung ist das stark begrenzte Gewicht eines Luftroboters, welches ein limitierender Faktor für die Flugzeit ist. In diesem Projekt wurde unter anderem an dieser Herausforderung gearbeitet und wichtige Ergebnisse erreicht. Zudem ist die Sicherheit ein weiterer besonderer Aspekt der Luftrobotik, da durch den Ausfall eines kritischen Systems das gesamte Luftfahrzeug zum Absturz gebracht werden kann. Auch in diesem Bereich wurden durch die Forderung große Fortschritte erzielt. Anwendungsgebiete der luftgestutzten Robotik sind ähnlich denen der herkömmlichen Robotik, erweitern aber den Arbeitsbereich um üblicherweise nur schwer oder gar nicht zugängliche Bereiche. Beispiele sind die mechanische Untersuchung von Brücken oder die Wartung von Windkraftanlagen und Pipelines. Herkömmliche Multikoptersysteme aber auch Helikopter sind sogenannte unteraktuierte Systeme. Als Folge davon sind die Flugrichtung dieser Luftfahrzeuge und ihre Orientierung eng aneinander geknüpft (ein Quadrotor muss sich um von A nach B zu fliegen erst in diese Richtung neigen um beschleunigen zu können). Als weitere Folge der Unteraktuierung lassen sich nicht beliebige Kräfte und Momente erzeugen. Deswegen werden in der luftgestützten Robotik häufig vollaktuierte Systeme verwendet. Der Nachteil eines vollaktuierten Systems ist der höhere Energieverbrauch. Im Rahmen dieser Forderung wurde ein neuartiges Luftfahrzeug, der FAST-Hex, entwickelt, welches die Vorteile beider Systeme verbindet. Der FAST-Hex basiert auf dem Hexarotor-Konzept, es lassen sich allerdings zusätzlich alle sechs Rotoren mit nur einem Aktuator aktiv neigen. Dabei neigen sich nebeneinander befindende Rotoren in die entgegengesetzte Richtung. Ist der Neigungswinkel null, ist das System unteraktuiert, ist der Neigungswinkel größer, ist das System voll aktuiert. Neben dem Entwurf und der Fertigstellung des FAST-Hex wurde eine Regelsystem entworfen, das beide Zustande (unter- und vollaktuiert) nahtlos nutzen kann. So kann das System im Reiseflug energiesparsam den Neigungswinkel minimieren während der Neigungswinkel vor einer physikalischen Interaktion erhöht wird. Ein weiteres Projekt setzte sich mit der Sicherheit von Multikoptersystemen auseinander. Dazu wurde zunächst der Begriff der Schwebefähigkeit definiert. Daraufhin wurde untersucht, welche Voraussetzungen gegeben sein müssen, dass ein Flugsystem überhaupt schwebefähig ist. Im nächsten Schritt wurde die Redundanz verschiedener Multikoptersysteme im Hinblick auf einen oder mehrerer Motorausfälle untersucht. So wurde zum Beispiel gefunden, dass herkömmliche Hexarotoren bereits im Falle eines einzigen Motorausfalles ihre Schwebefähigkeit verlieren. Für den Fall, dass die Rotoren hingegen leicht geneigt sind (wie beispielsweiße beim FAST-Hex) bleibt ein Hexarotor sogar bis zum Ausfall von zwei Rotoren schwebefähig. Außerdem wurde noch zwei weitere Projekte verfolgt. Zum einen wurde für ein vollaktuiertes Flugsystem, ausgestattet mit einem Robotikarm, ein Regler entworfen, der energieoptimiert in der Lage ist, verschiedene Aufgaben zu erfüllen. Außerdem wurde ein neuartiges Regelrahmenwerk für physikalische Interaktion für vollaktuierte Flugsysteme entwickelt. Mit diesem Regelwerk, das auf Admittanzregelung beruht, wurde eine Positionspräzision mit einem festen Endeffektor von unter einem Zentimeter erreicht. Verschiedene Experimente, wie das Untersuchen von Metalloberflächen auf verborgene Werkstoffschäden mittels Wirbelstromsensoren wurden für dieses Regelwerk erfolgreich durchgeführt. Durch die vier durchgeführten Projektteile konnten in den wichtigen Themenbereiche Energieverbrauch und Sicherheit in der luftgestützten Robotik spannende Fortschritte gemacht und neue Fragestellungen herausgearbeitet werden.
Publications
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Modeling and Control of FAST-Hex: a Fully-Actuated by Synchronized-Tilting Hexarotor. 2016 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Daejeon, South Korea, Oct. 2016
Markus Ryll, Davide Bicego, and Antonio Franchi
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6d physical interaction with a fully actuated aerial robots. In 2017 IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and System, Singapore, 5/2017
Markus Ryll, Giuseppe Muscio, Francesco Pierri, Elisabetta Cataldi, Gianluca Antonelli andFabrizio Caccavale, and Antonio Franchi
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Conditions for static hoverability and application to rotor-failure robustness for multi-rotor aerial vehicles. In 2017 IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and System, Singapore, 5/2017
Giulia Michieletto, Markus Ryll, and Antonio Franchi
