Attitude Stabilization of a Quadruped Robotic System during Free-Flight

Abstract

Med rask fremgang innen roboter med fire ben og roboter som kan hoppe og lande, vil det være et økende behov for attitudestabilisering av fallende gjen- stander. Attitudestabilisering er et kontrollproblem av stor interesse på tvers av mange felt, men hovedløsningene frem til idag er basert på å ha luftklaffer, vinger eller thrustere. Disse løsningene er dårlig tilpasset de firbeinte robotene i fritt fall, og det er behov for å utvikle nye løsninger. Løsningen som foreslås gjennom denne oppgaven har som mål å stabilisere attituden ved å rotere robotbena, og dermed 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. Attitudestabiliseringsproblemet ble 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- og settling-tider sørget for en kontrollstruktur som lyktes i rask stabilisering av atti- tudevinklene. Simuleringsresultater for MPC-kontrollprosessen viste at den var i stand til å tracke et referansesignal på 0°, på en robust måte, når den opprinnelige attitudevinkelen 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 and land, 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 the main 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, and there is a need to develop new solutions. The solution proposed throughout this thesis aims to stabilize the attitude by rotating the robot legs, and thus utilizing the centrifugal force. The system dynamics were modeled in Longitudinal and Lateral dynamics, followed by the process of implementing a control scheme fit to stabilize the attitudes. The attitude stabilization problem was solved with an MPC control architecture that makes the predictions based on the linearized system dynamics models, with the system plant outputs as the correcting input signal. A rigorous tuning process with emphasis on promoting short rise and settling times ensured a control scheme which succeeded in rapid stabilization of the attitude angles. Sim- ulation results for the MPC control task of stabilizing the attitude angles showed that it was able to robustly track a reference signal of 0° when the initial attitude angle was between −30° and 30°, with rise and settling times of < 0.75 and < 3 seconds.