Dynamic maneuvers for a robotic helicopter via visual feedback

Abstract

In this Dissertation we address the problem of designing a reliable aerial embedded system dedicated for autonomous unmanned helicopters. We mainly focus on navigation and motion control systems using visual feedback. In the same vein, model-free control approaches are adopted in order to succeed robust autonomous flights in dynamic environments, exploiting a wide-range of helicopters' flight envelope as well.First, we design and prototype low-cost onboard and ground systems -both hardware and software- a order to i) convert a remotely operated small-scale helicopter into an autonomous robotic platform and ii) construct a user-friendly ground station. Additionally, a non-linear mathematical model of flybarless helicopters is derived which will be used both in the navigation and control design, as well as in a realistic simulation framework.Regarding the navigation system, we propose a real-time, high-performance observer based on low-complex, robust and adaptive algorithms. Particularly, we use the complementary notion, fusing low-cost navigation sensors along with visual feedback, to extract the helicopter state vector. An adaptation scheme is also provided to allow unhindered operation of the filter to erroneous inputs introduced not only by the characteristics of low-cost sensors (i.e, biases, operation ranges, etc), but also bythe high dynamics of aggressive maneuvers.Subsequently, we design robust model-based and model-free control schemes to stabilize the helicopter in various flight conditions, even under the presence of external disturbances, such as wind gusts or ground effect phenomena, which mainly affect the landing procedure.Finally, extensive autonomous flights are conducted with the Autonomous CSL Helicopter, called "mini-Daedalus", demonstrating the efficacy of the proposed embedded system in highly demanding conditions and validating our design, navigation and control methods.

Σε αυτή τη διδακτορική διατριβή επικεντρωνόμαστε στο σχεδιασμό ενός αξιόπιστου ενσωματωμένου συστήματος για αυτόνομα μη επανδρωμένα ελικόπτερα. Ειδικότερα, ασχολούμαστε με το σχεδιασμό τόσο συστημάτων πλοήγησης όσο και συστημάτων εύρωστου ελέγχου βασισμένων σε τεχνικές "αγνώστου δυναμικού μοντέλου" (model-free), με τη χρήση οπτικής ανατροφοδότησης. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται αυτόνομη πτήση ελικοπτέρων σε δυναμικά περιβάλλοντα αξιοποιώντας όσο το δυνατό περισσότερο τον ολοκληρωμένο φάκελο πτήσης.Αρχικά σχεδιάζουμε, τόσο για το ελικόπτερο όσο και για το κέντρο ελέγχου εδάφους, χαμηλού κόστους, πρωτότυπα ενσωματωμένα συστήματα, τόσο στο πεδίο του υλικού όσο και του λογισμικού έτσι ώστε: α) να μετατρέψουμε ένα τηλεκατευθυνόμενο μικρού μεγέθους ελικόπτερο σε πλήρως αυτόνομη ρομποτική πλατφόρμα και β) να προετοιμάσουμε ένα συνολικό σύστημα πειραματικών δοκιμών. Στην συνέχεια, εξάγουμε μια πλήρης μαθηματική μοντελοποίηση των ελικοπτέρων για να χρησιμοποιηθεί τόσο για το σχεδιασμό των συστημάτων πλοήγησης και ελέγχου όσο και για το σχεδιασμό ενός πλήρους και ρεαλιστικού περιβάλλοντος προσομοίωσης.Όσο αναφορά το σύστημα πλοήγησης του ελικοπτέρου, προτείνουμε έναν υψηλής απόδοσης εκτιμητή κατάστασης βασισμένο σε απλούς, εύρωστους και προσαρμοστικούς αλγορίθμους όπου λειτουργούν σε πραγματικό χρόνο. Ειδικότερα, ο προτεινόμενος παρατηρητής σχεδιάζεται χρησιμοποιώντας τη λογική των "συμπληρωματικών φίλτρων" (complementary filters) ώστε να συνθέσει τις μετρήσεις πολλαπλών αισθητήρων πλοήγησης και οπτικών σημάτων και να εξάγει το συνολικό διάνυσμα καταστάσεων του ελικοπτέρου (δηλ., θέσης και προσανατολισμού). Επίσης ο προτεινόμενος αλγόριθμος αποτελείται από ένα κατάλληλο σχήμα προσαρμοστικού σχεδιασμού ώστε να επιτραπεί η απρόσκοπτη λειτουργία του φίλτρου κατά την εισαγωγή λανθασμένων σημάτων εισόδου λόγω είτε της χρήσης χαμηλού κόστους αισθητήρων (π.χ., εμφάνιση φαινομένων πόλωσης, μεγαλύτερο εύρος θορύβου, περιορισμός λειτουργίας), είτε της υψηλής δυναμικής των επιδέξιων ελιγμών των ελικοπτέρων.Στη συνέχεια, το προτεινόμενο ενσωματωμένο σύστημα ολοκληρώνεται με το σχεδιασμό εύρωστων ελεγκτών βασισμένων είτε στο μοντέλο του ελικοπτέρου, είτε όχι, με σκοπό να διασφαλίσουμε την σταθεροποίηση του ελικοπτέρου σε μια επιθυμητή κατάσταση πτητικής λειτουργίας, ανεξάρτητα από την εμφάνιση εξωτερικών διαταραχών, όπως ριπές ανέμου ή την επίδραση του εδάφους (ground effect), κυρίως κατά τη διαδικασία της προσγείωσης.Τέλος, χρησιμοποιώντας ως βασική πλατφόρμα το "Αυτόνομο Ελικόπτερο CSL", διεξαγάγουμε εκτεταμένες αυτόνομες πτήσεις σε πραγματικές συνθήκες, για να αποδείξουμε την αποτελεσματικότητα του προτεινόμενου ενσωματωμένου συστήματος σε απαιτητικές συνθήκες καθώς και να επαληθεύσουμε τις προτεινόμενες μεθοδολογίες πλοήγησης και ελέγχου.