Tecniche di Controllo di Piccoli Robot Volanti Dotati di Manipolatori

Le dinamiche di un robot volante sono piuttosto complicate a causa dell’elevata instabilità e della presenza di effetti aereodinamici che non risultano facilmente modellabili. Se a tale sistema si aggiunge la presenza a bordo di un manipolatore robotico è facile capire come l’accoppiamento dinamico fra i vari termini diventi rilevante. Una revisione della letteratura riguardante la manipolazione aerea è pubblicata da Fabio Ruggiero qui.

Studiare e rappresentare il modello dinamico dell’intero sistema risulta, quindi, importante per il progetto di una legge di controllo appropriata. Qui e qui tale modello viene ricavato in forma simbolica compatta tramite la formulazione Lagrangiana. Dal punto di vista controllistico, invece, si è voluto dapprima utilizzare una tecnica di controllo ben nota nella letteratura robotica industriale e di interazione fra uomo e robot, ossia il controllo di impedenza cartesiano. Quest’ultimo mira a creare una relazione dinamica fra il moto dell’intero sistema e le forze esterne generalizzate agenti sull’intera struttura. Questa relazione è specificata in termini di coordinate che descrivono il moto delle variabili desiderate nello spazio cartesiano. Qui, attraverso una scelta appropriata di tali variabili, è stato dimostrato che è possibile realizzare una tale situazione anche per un UAV (Unmanned Aerial Vehicle) dotato di braccio robotico. Qui, invece, le variabili del compito nello spazio cartesiano sono scelte in maniera tale da creare una ridondanza del sitema rispetto al task. In questo modo vari compiti secondari possono essere eseguiti in un framework a meccansimo prioritario, ottmizzando così alcuni indici di qualità quali la manipolabilità della struttura, l’aggiramento di ostacoli, l’allontanamento dai limiti di giunto, e così via.

Tuttavia, siccome la maggior parte dei braccetti robotici posti sugli UAVs sono spesso di dimensioni ridotte ed attuati da servomotori, non è possibile controllare direttamente le coppie di giunto. Quindi, Fabio Ruggiero ha sviluppato un metodo in qui e qui per controllare separatamente il veicolo aereo ed il manipolatore robotico. Quest’ultimo può essere movimentato tramite controllori standard sia cinematici che dinamici, mentre l’UAV deve sia compensare i movimenti del braccio che muoversi verso la posizione desiderata nello spazio Cartesiano. Dunque, è stato sviluppato uno stimatore di forze esterne generalizzate (forze più momenti) che agiscono sulla piattaforma aerea e basato sul momento meccanico del sistema. La stima è retroazionata al controllore del veicolo aereo così da tenere in conto e compensare i movimenti del braccio robotico. Il controllore complessivo è formato da un ciclo di controllo esterno ed uno esterno che sono modellati come impedenze meccaniche e la cui rigidezza e smorzamento sono programmate attraverso la scelta dei guadagni di controllo. In questo modo è possibile ottenere delle proprietà di passività dallo schema di controllo complessivo come qui. L’architettura proposta è stata quindi testata su sia un UAV con carico sconosciuto e forze/momenti esterni applicati non noti a priori come qui, che su di un UAV equipaggiato di un servo-manipolatore robotico di piccola scala come qui e qui.

In caso di manipolatori aerei con due braccia, un innovativo controllo di impedenza nel piano immagine è sviluppato qui, permettendo l’interazione fisica della piattaforma, equipaggiata con una telecamera ed un sensore di forza/coppia. L’informazione visuale è impiegata sia per coordinare il moto della telecamera montata sull’organo terminale di una delle due braccia, e anche di definire la componente elastica di coppia per l’interazione iniettata dall’equazione di impedenza direttamente nel piano immagine.

Un simulatore ``hardware-in-the-loop'' per la cooperazione uomo-manipolatore aereo è presentato a href="http://www.fabioruggiero.name/web/files/Papers/C36.pdf" target="blank">qui. Il simulatore vuole provvedere l'utente con un feedback aptico realistico proprio di una attività di interazione. Le forze scambiate fra il dispositivo hardware e l'uomo/ambiete sono misurate e fornite al manipolatore aereo simulato dinamicamente. In seguito, la piattaforma aerea simulata fornisce la propria posizioe all'hardware permettendo all'uomo di sentire gli effetti dell'interazione.