Studio e validazione sperimentale di un algoritmo di controllo cinematico per manipolatori montati su UAV

The objective of this thesis is to present and analyze the experimental text done in support of research on a kinematic control algorithm for manipulators mounted on mobile bases. The analyzed algorithm solves the inverse kinematics of the aerial manipulator by considering the position error of the End-Effector; in doing this, it is able to compute the joint velocities needed to compensate for movements of the mobile base caused by unpredictable disturbances, thus enabling the tracking of a predefined trajectory. To this end, will first be provided a brief description of how a drone (or UAV – Unmanned Aerial Vehicle) works, which serves as the mobile base of the system. The main features of the drone’s control software will then be illustrated, with particular attention to how it uses onboard sensors to collect and make available the kinematic and dynamic data required for flight. This analysis will help to understand how the drone interacts with the manipulator. Afterwards, the studied kinematic control algorithm, i.e. CLIK (Closed-Loop Inverse Kinematics) will be described in detail, which is an algorithm with a feedback loop. The physical and dynamic principles underlying its operation will be analyzed, and its implementation in Matlab will be presented for running simulations in both open-loop and closed-loop modes. Then, the Optitrack Motive vision system, used for collecting position data during the experiments, will be illustrated. Its main functionalities, configuration parameters, and usage methods in the experimental setup will be described. Following this, various simulations in Matlab of a manipulator with a free-floating base, controlled using the CLIK algorithm in an open-loop configuration (i.e., without feedback), will be presented. These simulations were performed using different solving methods, including the extended Jacobian and the Lagrange Costrained minimization method, with the aim of comparing the advantages and performance offered by each method. Some of these simulations were then replicated experimentally to verify their validity in a real-world context. Finally, all the experiments conducted will be described. For each, the theoretical background, specific objectives, and analysis of the results will be presented with different levels of detail. Among the most significant experiments is the one that led to the development of an equivalent controller capable of simulating the behavior of the drone's flight controller under stationary flight conditions. Although it is a simplified model, this controller was preferred in simulations due to its lighter computational load and greater robustness, characteristics that allowed for faster execution while maintaining a sufficiently faithful representation of real behavior. Another significant experiment will also be presented, in which the manipulator was mounted on a mobile base placed inside a laboratory test bench, instead of being mounted on a drone. This setup allowed the algorithm to be tested in a more controlled environment, reducing the degrees of freedom and limiting unobservable variables and typical flight disturbances. This made it possible to focus the analysis exclusively on the behavior of the manipulator, facilitating the identification of critical aspects. In this context, some of the previously simulated trajectories were also tested in order to compare theoretical results with experimental ones. To conclude, the experiment in which the CLIK algorithm is tested on a UAV will be presented, highlighting the algorithm’s strengths and limitations.

L’obiettivo del presente elaborato è esporre e analizzare le prove sperimentali condotte a supporto della ricerca riguardo un algoritmo di controllo cinematico per manipolatori montati su basi mobili. L’algoritmo analizzato risolve la cinematica inversa del manipolatore aereo considerando l’errore di posizione dell’End-Effector; facendo questo riesce a calcolare le velocità dei giunti che permettono di compensare i movimenti della base mobile causati da disturbi imprevedibili, rendendo possibile quindi l’inseguimento di una traiettoria predefinita. In primo luogo verrà fornita una breve descrizione del funzionamento di un drone (o UAV – Unmanned Aerial Vehicle), che costituisce la base mobile del sistema, saranno poi illustrate le principali caratteristiche del software di controllo del drone, con particolare attenzione al modo in cui, attraverso i sensori di bordo, raccoglie e rende disponibili i dati cinematici e dinamici necessari al volo. Tale approfondimento renderà possibile capire come il drone interagirà con il manipolatore. Successivamente, sarà descritto nel dettaglio l’algoritmo di controllo cinematico studiato, ovvero il CLIK (Closed-Loop Inverse Kinematics), un algoritmo con un anello di retroazione. Verranno analizzati i principi fisici e dinamici alla base del suo funzionamento e ne sarà mostrata l’implementazione in ambiente Matlab per l’esecuzione di simulazioni.. Sarà poi illustrato il sistema di visione OptiTrack Motive, utilizzato per la raccolta dei dati di posizione durante gli esperimenti. Verranno descritte le principali funzionalità del sistema, i parametri fondamentali da configurare e le modalità d’uso nel contesto sperimentale. In seguito, saranno presentate diverse simulazioni in ambiente Matlab di un manipolatore con base libera, controllato tramite l’algoritmo CLIK, in configurazione open-loop (ovvero senza retroazione). Le simulazioni sono state eseguite utilizzando differenti metodi risolutivi, tra cui lo Jacobiano esteso e il metodo di minimizzazione vincolata di Lagrange, con l’obiettivo di confrontare i vantaggi e le prestazioni offerte da ciascun metodo. Infine, verranno descritti tutti gli esperimenti effettuati. Per ciascuno di essi saranno presentati, con diverso grado di approfondimento, i riferimenti teorici, gli obiettivi specifici e l’analisi dei risultati. Tra gli esperimenti più significativi si evidenzia quello che ha portato allo sviluppo di un controllore equivalente capace di simulare il comportamento del controllore di volo del drone in condizioni di volo stazionario. Pur trattandosi di un modello semplificato, questo controllore è stato preferito nelle simulazioni in quanto più leggero e più robusto dal punto di vista computazionale. Sarà presentato un ulteriore esperimento significativo, il quale ha previsto l’utilizzo del manipolatore montato su una base mobile posizionata all’interno di un banco prova in laboratorio. Questa soluzione ha permesso di testare l’algoritmo in un ambiente più controllato, riducendo i gradi di libertà e limitando le variabili non osservabili e i disturbi tipici del volo. In questo contesto sono state inoltre testate alcune delle traiettorie precedentemente simulate. Per concludere verrà esposto l’esperimento dove viene testato l’algoritmo CLIK su un UAV e si metteranno in luce i limiti e i pregi dell’algoritmo.