Attitude Stabilization of a Quadruped Robotic System during Free-Flight
Abstract
Med rask fremgang innen roboter med fire ben og roboter som kan hoppe oglande, vil det være et økende behov for attitudestabilisering av fallende gjen-stander. Attitudestabilisering er et kontrollproblem av stor interesse på tvers avmange felt, men hovedløsningene frem til idag er basert på å ha luftklaffer, vingereller thrustere. Disse løsningene er dårlig tilpasset de firbeinte robotene i frittfall, og det er behov for å utvikle nye løsninger. Løsningen som foreslås gjennomdenne oppgaven har som mål å stabilisere attituden ved å rotere robotbena, ogdermed utnytte sentrifugalkraften. Systemdynamikken ble modellert i longitud-inell og lateral dynamikk, etterfulgt av prosessen med å implementere en kontrol-larkitektur tilpasset for å stabilisere attitudene. Attitudestabiliseringsproblemetble løst med en MPC-kontrollarkitektur som gjør prediksjoner basert på de linear-iserte systemdynamikkmodellene, med systemets tilstandsverdiene som korriger-ende inngangssignal. En nøye tuningsprosess med vekt på å fremme korte rise- ogsettling-tider sørget for en kontrollstruktur som lyktes i rask stabilisering av atti-tudevinklene. Simuleringsresultater for MPC-kontrollprosessen viste at den var istand til å tracke et referansesignal på 0°, på en robust måte, når den opprinneligeattitudevinkelen var mellom −30° og 30°, med rise- og settling-tider på < 0, 75 og< 3 sekunder With rapid progress in the field of legged robots and robots than can jump andland, there will be a growing need for attitude stabilization of falling objects. Atti-tude stabilization is a control problem of vast interest across many fields, but themain solutions to this date are bases on having aerial flaps, wings or thrusters.These solutions are not well adapted to the four-legged robots in free-flight, andthere is a need to develop new solutions. The solution proposed throughout thisthesis aims to stabilize the attitude by rotating the robot legs, and thus utilizing thecentrifugal force. The system dynamics were modeled in Longitudinal and Lateraldynamics, followed by the process of implementing a control scheme fit to stabilizethe attitudes. The attitude stabilization problem was solved with an MPC controlarchitecture that makes the predictions based on the linearized system dynamicsmodels, with the system plant outputs as the correcting input signal. A rigoroustuning process with emphasis on promoting short rise and settling times ensured acontrol scheme which succeeded in rapid stabilization of the attitude angles. Sim-ulation results for the MPC control task of stabilizing the attitude angles showedthat it was able to robustly track a reference signal of 0° when the initial attitudeangle was between −30° and 30°, with rise and settling times of < 0.75 and < 3seconds.