Interaction control with an aerial robot
| datacite.contributor.RelatedPerson | Καζάκος, Δημοσθένης | |
| datacite.contributor.RelatedPerson | Χατζηλυγερούδης, Κωνσταντίνος | |
| datacite.contributor.Supervisor | Μπεχλιούλης, Χαράλαμπος | |
| dc.contributor.author | Τσακίρη, Δήμητρα | |
| dc.contributor.other | Tsakiri, Dimitra | |
| dc.date.accessioned | 2025-06-23T11:34:05Z | |
| dc.date.available | 2025-06-23T11:34:05Z | |
| dc.date.issued | 2025-06-16 | |
| dc.degree | graduateThesis | |
| dc.description.abstract | This thesis presents a comprehensive approach to the control, simulation, and visualization of aquadcopter equipped with advanced mechanisms for position and force regulation, with a specificemphasis on dynamic interaction with a deformable surface. The primary objective of this studyis to develop an efficient and adaptive control framework that enables the quadcopter to follow apredefined trajectory while exerting a controlled normal force on the surface via an attached probe.To achieve this, a dynamic model of the aerial vehicle and the surface is constructed to accuratelycapture the behaviors and coupling effects that emerge during contact. The simulation involves theimplementation and testing of three different control strategies. First, we present the developmentof a Proportional-Integral-Derivative (PID) controller, second, of a neuro-adaptive controller, andthird, of a more advanced final controller that combines the two previous strategies and consistsof two stages, one for position and one for force control. The controllers enable the drone tonavigate from an initial position to a desired position, while maintaining stability and accuratecontrol over its trajectory and altitude. To enhance robustness, a Kalman filter is employed to fusenoisy sensor measurements and provide real-time state estimates, improving positioning precision.These estimates are used as feedback to the controller to generate control inputs for the drone,ensuring smoother and more stable flight. The program also simulates surface deformations inresponse to the drone’s interactions, providing a realistic portrayal of physical effects such as orcedistribution and height adjustments. The surface adapts in real time to reflect forces applied bythe drone, visualized in the animation. The inclusion of drone-surface interaction is a significantenhancement, as it enables the simulation of scenarios relevant to various real-life applications.By examining deformation and force response, this study aims to support the development ofdrones capable of performing precise tasks such as sampling, or inspecting surfaces in hazardous or inaccessible environments. In conclusion, this thesis paves the way for further optimization and research in UAV applications. The integration of intelligent UAVs with advanced sensing systems has the potential to significantly enhance both civilian and military operations by improving target acquisition and situational awareness tasks. | |
| dc.description.sponsorship | - | |
| dc.description.translatedabstract | Η παρούσα διπλωματική εργασία προτείνει μια ολοκληρωμένη προσέγγιση για τον έλεγχο, την προσομοίωση και την οπτικοποίηση της λειτουργίας ενός τετρακόπτερου, το οποίο είναι εξοπλισμένο με προηγμένους μηχανισμούς ρύθμισης θέσης και δύναμης. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στη δυναμική αλληλεπίδραση του οχήματος με μια παραμορφώσιμη επιφάνεια. Κύριος στόχος της μελέτης είναι η ανάπτυξη ενός αποδοτικού και προσαρμοστικού πλαισίου ελέγχου, το οποίο επιτρέπει στο τετρακόπτερο να ακολουθεί μια προκαθορισμένη τροχιά ενώ ασκεί ελεγχόμενη κάθετη δύναμη στην επιφάνεια μέσω ενσωματωμένου αισθητήρα/εργαλείου. Για την επίτευξη του στόχου, αναπτύσσεται ένα δυναμικό μοντέλο του εναέριου οχήματος και της παραμορφώσιμης επιφάνειας, ικανό να αποτυπώσει με ακρίβεια τη συμπεριφορά και τα φαινόμενα σύζευξης που προκύπτουν κατά την επαφή. Στο πλαίσιο της προσομοίωσης, υλοποιούνται και αξιολογούνται τρεις διαφορετικές στρατηγικές ελέγχου: ένας αναλογικός-ολοκληρωτικός-παραγωγικός (PID) ελεγκτής, ένας νευροπροσαρμοστικός ελεγκτής και, τέλος, ένας σύνθετος ελεγκτής δύο σταδίων, ο οποίος συνδυάζει τα προηγούμενα και περιλαμβάνει ξεχωριστό έλεγχο για τη θέση και τη δύναμη. Οι παραπάνω ελεγκτές επιτρέπουν την πλοήγηση του drone από αρχική σε επιθυμητή θέση, διασφαλίζοντας τη σταθερότητα της πτήσης και τον ακριβή έλεγχο τροχιάς και ύψους. Για τη βελτίωση της ακρίβειας στον προσδιορισμό της κατάστασης του συστήματος, ενσωματώνεται φίλτρο Kalman, το οποίο συγχωνεύει θορυβώδεις μετρήσεις αισθητήρων και παρέχει εκτιμήσεις σε πραγματικό χρόνο, που χρησιμοποιούνται ως ανάδραση στον ελεγκτή. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται πιο ομαλή και σταθερή πτήση. Η προσομοίωση περιλαμβάνει επίσης την απόκριση της παραμορφώσιμης επιφάνειας στις δυνάμεις που ασκεί το drone, προσφέροντας ρεαλιστική απεικόνιση φυσικών φαινομένων όπως η κατανομή δύναμης και οι μεταβολές στο ύψος. Η επιφάνεια προσαρμόζεται δυναμικά σε πραγματικό χρόνο, αναπαριστώντας πιστά τις επιδράσεις της αλληλεπίδρασης drone–περιβάλλοντος μέσω γραφικής απεικόνισης. Η ενσωμάτωση της φυσικής αλληλεπίδρασης μεταξύ drone και επιφάνειας συνιστά ουσιώδη βελτίωση του συστήματος, καθώς καθιστά εφικτή την προσομοίωση σεναρίων με άμεση εφαρμογή σε πραγματικές συνθήκες. Η μελέτη των παραμορφώσεων και της απόκρισης σε ασκούμενες δυνάμεις ενισχύει τη δυνατότητα χρήσης UAV για απαιτητικές εργασίες όπως η δειγματοληψία ή η επιθεώρηση επιφανειών σε επικίνδυνα ή δυσπρόσιτα περιβάλλοντα. Συμπερασματικά, η εργασία αυτή ανοίγει νέους δρόμους για τη βελτιστοποίηση και περαιτέρω έρευνα στις εφαρμογές μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων (UAV). Η ενοποίηση έξυπνων UAV με προηγμένα συστήματα αισθητήρων δύναται να ενισχύσει σημαντικά τόσο πολιτικές όσο και στρατιωτικές επιχειρήσεις, ιδιαίτερα σε ό,τι αφορά την παρακολούθηση στόχων και την επίγνωση της επιχειρησιακής κατάστασης. | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10889/29717 | |
| dc.language.iso | en | |
| dc.rights | Attribution-ShareAlike 4.0 International | en |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/ | |
| dc.subject | Control interaction | |
| dc.subject | Robots | |
| dc.subject | Quadcopter | |
| dc.subject.alternative | Έλεγχος αλληλεπίδρασης | |
| dc.subject.alternative | Ρομπότ | |
| dc.subject.alternative | Τετρακόπτερο | |
| dc.title | Interaction control with an aerial robot | |
| dc.title.alternative | Έλεγχος αλληλεπίδρασης με ιπτάμενη ρομποτική πλατφόρμα |