Design and Control of Multi-Directional Thrust Multi-Rotor Aerial Vehicles with applications to Aerial Physical Interaction Tasks

par Davide Bicego

Thèse de doctorat en Robotique et automatique

Sous la direction de Antonio Franchi.

Soutenue le 13-09-2019

à Toulouse, INSA , dans le cadre de École doctorale Systèmes (Toulouse) , en partenariat avec Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (laboratoire) et de Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes / LAAS (laboratoire) .

Le président du jury était Simon Lacroix.

Le jury était composé de Antonio Franchi, Tarek Hamel, Isabelle Fantoni, Paolo Robuffo giordano, Marc Gouttefarde.

Les rapporteurs étaient Tarek Hamel, Isabelle Fantoni.

  • Titre traduit

    Conception et contrôle de véhicules aériens multi-rotors a poussé multi-directionnelle avec application aux taches d'interaction physique aérienne


  • Résumé

    Cette thèse aborde l’étude de véhicules aériens autonomes interagissant d’une façon active avec l’environnement, en portant une attention particulière au développement des techniques de modélisation, de conception, et de stratégies de commande appropriées pour ces systèmes. L’étude de ces systèmes étant intrinsèquement complexe et relativement récente, de nouvelles techniques sont nécessaires pour : i) mieux décrire la dynamique du véhicule aérien et ses contraintes d’actionnement ; ii) concevoir efficacement de nouveaux prototypes aériens dotés de propriétés particulières de dextérité et de résilience ; iii) garantir un contrôle stable pendant les opérations sans contact malgré les contraintes d’actionnement ; et iv) préserver la stabilité du système pendant la phase de contact avec l’environnement tout en garantissant l’accomplissement de la tâche de manipulation. Cette thèse explore de nouvelles stratégies pour surmonter, dans une certaine mesure, les problèmes de sous-actionnement des véhicules traditionnels, conçus avec les hélices orientées dans une même direction. L’objectif de cette thèse est d’enrichir les résultats théoriques préliminaires sur de nouvelles plateformes et, en outre, de contribuer au développement de systèmes robotiques aériens réels plus appropriés aux moyens de manipulation améliorés et adaptés aux tâches d’interaction physique aérienne. Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet européen H2020 AeroArms, dont le but est de développer des systèmes robotiques aériens dotés de capacités de manipulation avancées à appliquer dans les domaines de l’inspection et de la maintenance industrielles. Par conséquent, l’impact sur l’industrie joue ici un rôle important.629.8


  • Résumé

    This thesis addresses the study of autonomous Aerial Vehicles (AVs) actively interacting with the surrounding environment, with particular attention to the development of modeling and design techniques, and suitable control strategies for these systems. Due to the intrinsic difficulty and the novelty associated with the study of these systems, new techniques are needed to: i) better describe the aerial vehicle dynamics and its actuation limits; ii) effectively design new aerial prototypes with particular properties of dexterity and resilience; iii) guarantee a stable control during contact-less operations despite the actuation limits; and iv) preserve the system stability also during the contact phase with the environment while guaranteeing the fulfillment of the sought manipulation task. This thesis explores new strategies to overcome, to a certain extent, the under-actuation problem of classical multi-rotor platforms, conceived with the propellers aligned towards a common direction. The goal of this thesis is to contribute to a wise growth of the preliminary theoretical results on multi-directional thrust aerial vehicles laid by the state of the art and, furthermore, to the development of more suitable real aerial robotic systems with enhanced manipulation means, tailored for aerial physical interaction tasks. This thesis takes place inside the context of the European H2020 AeroArms project, whose goal is to develop aerial robotic systems with advanced manipulation capabilities to be applied in industrial inspection and maintenance. Hence, also the technology transfer and the impact on the industry plays here an important role.


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