Modelling and control of aerial manipulators

Resumen

Hace unos años, dentro de la robótica aérea, surgió la manipulación aérea como campo de investigación. Desde su nacimiento, su impacto ha ido incrementándose poco a poco debido, sobretodo, al gran número de aplicaciones que podrían llevarse a cabo con este tipo de sistemas. Un manipulador aéreo puede definirse como una plataforma aérea la cual ha sido equipada con uno o varios brazos robóticos. Este nuevo concepto ha abierto un mundo de posibilidades para este tipo de robots aéreos. Además, gracias a la posibilidad de este tipo de robots aéreos de interactuar con su entorno, podrían llevar a cabo inspecciones de estructuras civiles o incluso, tareas de ensamblaje de estructuras y todo ello, por supuesto, de forma autónoma. Esta tesis se centra en el estudio e implementación de sistemas de manipulación aérea y, en particular, en el diseño de estrategias de control para la plataforma aérea. Este estudio comienza con el cáculo de las ecuaciones que representan la dinámica del sistema, y que nos permite analizar su comportamiento y la influencia del movimiento de los brazos robóticos en la estabilidad de la plataforma. El análisis de estas ecuaciones nos permite diseñar de esquemas de control tales como los basados en Backstepping. Pero el objetivo de esta tesis no es solo el diseño sino también la implementación de estas técnicas de control en sistemas de manipulación aérea reales y con capacidad de llevar a cabo tareas de manipulación en escenarios al aire libre. La principales contribuciones de esta tesis son el cálculo de los modelos dinámicos para cada uno de los tipos de manipuladores aéreos estudiados he implementados durante el desarrollo de la tesis. Además del uso de estas modelos para la diseño de una estrategia de control adaptable a cada una de las plataformas. También se ha diseñado un mecanismo “compliant” que ha sido integrado en un manipulador para llevar a cabo tareas de inspección estructuras por contacto, además de un control de fuerza-posición. Cada manipulador aéreo implementado durante esta tesis, excepto el en caso del helicóptero, va unido a un estudio de las especificaciones hardware necesarias para la realización de una validación del sistema mediante experimentos de vuelo en escenarios al aire libre, y en el caso de los manipuladores aéreos para inspección de estructuras, en un puente real. Cada experimento realizado ha sido analizado en detalle para corregir errores, además de para adaptar o agregar cualquier modificación estructural o de hardware necesaria.