基於動量觀測器的多模態腿式飛行機器人無優化控制與地面反作用力估計

核心概念

本文提出了一種基於動量觀測器的無優化控制框架和地面反作用力估計方法，用於控制多模態腿式飛行機器人，並通過模擬驗證了該方法的有效性。

要約

文獻類型

這是一篇學術研究論文。

研究目標

• 本文旨在為多模態腿式飛行機器人開發一種無需複雜優化的控制框架，以降低對機載計算機性能的要求。
• 本文還提出了一種基於動量觀測器的地面反作用力估計方法，用於估計機器人運動過程中足底與地面之間的作用力。

方法

• 控制方面，採用顯式參考調節器（ERG）來調節機器人的速度參考值，以滿足地面反作用力約束，確保足底不發生滑動。
• 估計方面，利用共軛動量觀測器，根據機器人狀態、速度、推進器輸入和模型參數估計地面反作用力。
• 使用 Husky 機器人的簡化模型 (HROM) 在 Matlab 環境中進行模擬，以驗證所提出的控制和估計框架的有效性。

主要發現

• 模擬結果表明，ERG 控制器能夠有效地找到滿足地面摩擦力約束的足底位置，從而防止機器人滑倒。
• 動量觀測器能夠準確地估計簡化模型的地面反作用力，並捕捉到地面模型中彈簧剛度引起的衝擊力。
• 與基於約束模型的估計方法相比，動量觀測器表現出更高的準確性。

主要結論

• 基於動量觀測器的無優化控制框架和地面反作用力估計方法可以有效地控制多模態腿式飛行機器人。
• 該方法具有計算效率高、易於實現等優點，適用於對機載計算機性能要求較高的應用場景。

研究意義

• 本研究為多模態腿式飛行機器人的控制和狀態估計提供了一種新的思路。
• 所提出的方法有助於提高機器人的運動穩定性和控制精度，擴展其應用範圍。

局限性和未來研究方向

• 本研究採用了簡化的機器人模型和地面模型，未來需要進一步研究更精確的模型對控制和估計性能的影響。
• 未來可以考慮將該方法應用於更複雜的運動任務，例如崎嶇地形行走和跳躍等。
• 可以進一步研究如何利用估計得到的地面反作用力信息來進行運動預測和規劃。

統計

Husky 機器人高約 3 英尺，寬約 1.5 英尺，重 8 公斤，由 4 條 3 自由度腿驅動。
每個 EDF（電動涵道風扇）可產生高達 2 kgf 的推力。
模擬採用四階龍格庫塔積分器，步長約為 2 kHz。
估計器使用的增益為 Ko = 1000 * I6。

引用

"Optimization solvers used in optimal controllers usually require powerful computers that can usually increase the payload of the robot which is not desired considering the conflicting requirements of legged-aerial robots."
"The momentum observer is also preferred because of the ability to avoid the inversion of the mass inertia tensor and eliminating the need of an estimating the joint accelerations."

抽出されたキーインサイト

Optimization free control and ground force estimation with momentum observer for a multimodal legged aerial robot

by Kaushik Venk... 場所 arxiv.org 11-19-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.11216.pdf

深掘り質問

如何將本文提出的控制和估計方法應用於其他類型的多模態機器人，例如輪腿式機器人或飛行機械臂？

本文提出的控制和估計方法可以應用於其他類型的多模態機器人，但需要根據具體的機器人平台和任務進行調整和改進。
輪腿式機器人：

控制方面： 可以採用類似的 Explicit Reference Governor (ERG) 框架來處理地面反作用力約束，但需要考慮輪子與地面的接觸模型和約束條件。例如，需要考慮輪子的滑動摩擦力、滾動阻力等因素。此外，輪腿式機器人可以通過輪子的轉動來調整姿态，因此需要将轮子的控制输入整合到控制框架中。
估計方面： 可以使用類似的動量觀測器來估計地面反作用力，但需要考慮輪子的動力學模型和接觸模型。例如，需要考慮輪子的慣性、摩擦力、滑動等因素。
飛行機械臂：

控制方面： 可以採用類似的 ERG 框架來處理機械臂末端與環境的接觸力約束，但需要考慮機械臂的動力學模型和接觸模型。此外，飛行機械臂的姿态控制更加复杂，需要考虑飞行器的动力学模型和空气动力学的影响。
估計方面： 可以使用類似的動量觀測器來估計機械臂末端的接觸力，但需要考慮機械臂的動力學模型和接觸模型。
總之，本文提出的控制和估計方法可以作為其他多模態機器人控制和估計的基礎，但需要根據具體的機器人平台和任務進行調整和改進。

在實際應用中，傳感器噪聲和模型誤差會對控制和估計性能產生怎樣的影響？如何提高算法的魯棒性？

在實際應用中，傳感器噪聲和模型誤差會對控制和估計性能產生負面影響，降低算法的鲁棒性。

傳感器噪聲： 傳感器噪聲會影響機器人狀態估計的準確性，進而影響控制器的性能。例如，噪聲會導致地面反作用力的估計值不準確，進而導致控制器無法有效地滿足地面反作用力約束。
模型誤差： 模型誤差是指機器人模型與實際系統之間的差異，例如質量分布、摩擦系数、空气阻力等方面的差异。模型誤差會導致控制器和估計器性能下降。
为了提高算法的鲁棒性，可以采取以下措施：

使用濾波器： 可以使用低通滤波器等方法来降低传感器噪声的影响。
鲁棒控制： 可以使用滑模控制、H∞ 控制等鲁棒控制方法来提高控制器对模型误差和干扰的鲁棒性。
自适应控制： 可以使用自适应控制方法来在线估计模型参数，并根据估计值调整控制器参数，从而提高控制器的鲁棒性。
基于学习的方法： 可以使用机器学习方法来学习模型误差和干扰，并根据学习结果改进控制器和估计器的性能。

如果將機器人的運動目標從簡單的行走擴展到更複雜的任務，例如跳躍、奔跑或避障，本文提出的方法是否仍然適用？需要進行哪些改進？

如果将机器人的运动目标从简单的行走扩展到更复杂的任務，例如跳跃、奔跑或避障，本文提出的方法需要进行以下改进：

更复杂的运动模型： 简单的倒立摆模型不足以描述跳跃、奔跑等复杂运动，需要建立更精确、更复杂的机器人运动模型，例如考虑腿部质量、关节柔性、地面冲击等因素的模型。
更复杂的约束条件： 跳跃、奔跑等运动需要满足更复杂的约束条件，例如起跳和落地时的冲击力约束、空中姿态调整的力矩约束等。ERG 框架需要进行扩展，以处理这些更复杂的约束条件。
更强大的规划算法： 避障等任务需要更强大的路径规划算法，以生成安全、高效的运动轨迹。可以考虑将 ERG 框架与基于搜索的规划算法或基于学习的规划算法相结合。
更精确的狀態估計： 复杂运动对状态估计的精度要求更高，需要使用更精确的传感器和更先进的狀態估計算法，例如扩展卡尔曼滤波器 (EKF) 或无迹卡尔曼滤波器 (UKF)。
总而言之，本文提出的控制和估计方法为多模态机器人的运动控制提供了一个基础框架，但要将其应用于更复杂的任务，还需要进行一系列的改进和扩展。