A novel overactuated quadrotor UAV

Abstract

Standard quadrotor UAVs are inherently underactuated as they posses only four independent control inputs - their four propeller spinning velocities. Therefore they only possess a limited mobility in space for the six dofs parameterizing the quadrotor position/orientation. This implies that for standard quadrotors it is impossible to follow an arbitrarily designed trajectory. A standard quadrotor for example cannot translate position while remaining horizontal. The common use of UAVs and quadrotors in particular is changing from common observer tasks to more applied flying service robot tasks including interaction with the environment. Here the loss of mobility on the basis of the inherent underactuation can constitute a limiting factor. In this thesis we will present a novel quadrotor UAV design that surmounts these limitations by additional four control inputs actuating the four propeller tilting angles. First, we will show that our novel quadrotor UAV with tilting propellers offers behavior as a fully-actuated flying vehicle with full actuation of the quadrotor position and orientation in space. Second, a comprehensive modeling and control framework for the proposed quadrotor is presented, and the hardware/software specifications of an experimental prototype will be introduced. Finally, the results of several simulations and real experiments are reported to illustrate the capabilities of the proposed novel UAV design.

Unbemannte Quadrocopter und ähnliche Luftfahrzeuge (z.B. Hubschrauber) haben eine eingeschränkte Manövrierbarkeit aufgrund ihres konzeptuell unteraktuierten Systems. Das heißt diese Luftfahrzeuge besitzen weniger Steuereingänge (im Falle von Quadrocoptern die vier Rotationsgeschwindigkeiten der Rotoren) als die sechs translatorischen und rotatorischen Freiheitsgrade eines Körpers im Raum. Daraus folgt das diese Luftfahrzeuge einer beliebigen Trajektorie im Raum nicht notwendigerweise folgen können. Beispielsweiße ist eine horizontale Translation ohne Rotation nicht möglich. Da unbemannte Luftfahrzeuge mehr und mehr als fliegende Serviceroboter, die auf ihre Umgebung einwirken, verwendet werden, ist dieser Mangel an Mobilität ein grundsätzlich limitierender Faktor. In dieser Doktorarbeit wird ein konstruktiv neuartiger Entwurf eines Luftfahrzeuges vorgestellt - der Holocopter. Beim Holocopter ist zusätzlich die Orientierung der Rotoren regelbar, hier durch ist die beschriebene Unteraktuierung nicht mehr gegeben. Das System ist nun überaktuiert, da den nun acht Steuereingängen sechs Freiheitsgrade gegenüberstehen. Die vier zusätzlichen Steuereingänge ermöglichen eine vollständige Steuerbarkeit der Position und Orientierung des Holocopters im Raum. Daher lässt sich der Holocopter als vollständig steuerbarer, fliegender Roboter verwenden. In dieser Arbeit wurde zunächst ausführlich das kinematische Modell des Holocopters hergeleitet und ein passender Regler basierend auf dynamischer, linearisierter Zustandsrückführung entworfen. Anschließend wurde ein Prototyp entworfen und gebaut und das nötige Software-Framework entwickelt. Zentraler Bestandteil der Arbeit sind ausführliche Simulationen und tatsächliche Tests mit den Prototypen. Abschließend bietet die Arbeit einen Ausblick auf Interaktionsszenarios des Holocopters mit der Umgebung.