Pianificazione ottima del moto punto-punto di un manipolatore aereo

An aerial manipulation system offers high operational flexibility, although it has some issues since the base, where the manipulator is fixed, is usually a multicopter, which is an underactuated system. Even in the plane system, which is considered in this thesis, there are only a reaction force along the vertical direction and a torque along an axis which is perpendicular to the considered plane, while along the horizontal direction the system will move according to the law of motion without any control force. In this thesis an iterative algorithm is developed to determine the motion law for the actuator of the manipulator, with 3 degrees of freedom, in order to reach a chosen point of the workspace, or a succession of points, with the “tool” frame which is considered part of the end effector; starting from a hovering position, where the UAV is in a steady position. To estimate and subsequently compensate for the dynamic effects, a toolkit for dynamic simulation in Matlab will be exploited, which permit to overcome the drawbacks of simpler approaches. Moreover, it will allow to study the displacement of the manipulator base, that is necessary for the determination, through an iterative approach, of new target positions starting from those chosen by the operator. These new positions are fictitious, but they allow the chosen position to be reached within a margin, in the order of one millimeter, considered adequate for the application, and requiring a computational time compatible with the task itself. Focusing then on point-to-point motions, the behavior due to some of the most common planning techniques will be examined, and some inverse kinematics approaches will be analyzed, considering the possibility of tasks where the manipulator may be considered redundant. Cases where the UAV controller is informed of the motion of the connected system will be distinguished from those where the two controls are not communicating. At the end, one will be able to plan the motion of the manipulator, allowing the end effector to transit through an ordered succession of workspace points. First points are considered in pairs developing a "point-to-point" motion between them, characterized by stops at the "end" point, and then treated as a whole to transit through the via-points with non-zero velocities. The motion law resulting from Matlab script will be used to drive the system modelled the multibody ADAMS software, to validate the estimates and verify the approximation introduced in the planning.

Un sistema di manipolazione aerea (UAM) offre una elevata flessibilità d’uso, ma presenta problematiche di presa poiché la base del manipolatore è tipicamente costituita da un multicottero, che è un sistema sottoattuato. Infatti, anche nel caso piano considerato in questo elaborato, è possibile avere una forza di controllo nella sola direzione verticale e una coppia attorno ad un asse perpendicolare al piano del sistema, mentre nella direzione orizzontale il sistema evolverà secondo le leggi della dinamica senza alcuna azione di controllo diretta. Si trascurano le azioni di controllo ottenute come combinazione delle descritte, che nei modelli reali consentono un posizionamento accurato, grazie al segnale GPS preso come riferimento. Per risolvere questo inconveniente, in questo elaborato si sviluppa un algoritmo per la determinazione delle leggi di moto per l’azionamento dei giunti del manipolatore, a 3 gradi di libertà, con il fine di far raggiungere un determinato punto, o una successione di punti, alla terna "tool" solidale all'end-effector. Al fine di stimare e successivamente compensare gli effetti dinamici si sfrutta un toolkit per la simulazione dinamica in Matlab, che permetterà di superare gli inconvenienti di approcci più semplici e di studiare lo spostamento della base del manipolatore, quest'ultimo necessario per la determinazione, tramite approccio iterativo, di nuove posizioni target a partire da quelle scelte dall'operatore; le quali pur essendo fittizie consentono di raggiungere la posizione scelta entro un margine ritenuto adeguato, nell'ordine di un millimetro, richiedendo un tempo di calcolo compatibile con il compito stesso. Concentrandosi quindi sui moti punto-punto, si esaminerà il comportamento dovuto ad alcune delle più comuni leggi orarie e si analizzeranno alcuni approcci di cinematica inversa considerando la possibilità di compiti dove il manipolatore possa essere ritenuto ridondante; si distingueranno i casi dove il controllore dello UAV è informato del moto del sistema collegato da quelli dove i due controlli non comunicano. Si sarà quindi in grado di pianificare il moto del manipolatore, consentendo all'end-effector di transitare attraverso una successione ordinata di punti dello spazio di lavoro, prima considerati a coppie sviluppando così un moto "punto-punto" tra essi, caratterizzato da stop nel punto "finale", e successivamente trattati nel loro insieme in modo da transitare attraverso i waypoint con velocità non nulle. Le leggi di moto determinate dall'implementazione in Matlab verranno poi usate per l'azionamento del sistema modellato nel software multibody ADAMS par la validazione delle stime e verificare eventuali approssimazioni eseguite nella pianificazione.