INCREASED AUTONOMY FOR - ETH E

Diss. ETH No. 23137
INCREASED AUTONOMY FOR QUADROCOPTER
SYSTEMS: TRAJECTORY GENERATION, FAIL-SAFE
STRATEGIES, AND STATE ESTIMATION
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH Zurich
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
Mark Wilfried Müller
M.Sc. ETH in Mechanical Engineering
born on 22 August 1986
citizen of South Africa
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Raffaello D’Andrea, examiner
Prof. Dr. Manfred Morari, co-examiner
2016
Abstract
This thesis investigates three specific topics aimed at increasing the autonomy of quadrocopter systems. Such systems have become popular as they provide relatively easy and
cheap access to the sky, allowing e.g. novel aerial perspectives, or the transportation of
goods. Their potential value to industry is derived in a large part by their autonomy:
their ability to safely and reliably execute tasks with minimal human intervention. The
three topics investigated in this thesis are trajectory generation, fail-safe strategies and
novel vehicles, and state estimation.
The trajectory generation algorithms investigated focus on achieving agile manoeuvres
at low computational cost. Two approaches are presented, of which the first can generate
and verify a candidate trajectory in approximately one microsecond on a normal laptop,
achieved by only verifying feasibility after the generation of the motion. The second
approach transforms the trajectory generation task into a convex optimisation problem,
and then uses modern, highly-optimised methods to solve for the trajectory, at the cost
of using conservative convex approximations of the feasible inputs.
The thesis investigates component failures that would break the global feedback control loop in an indoor aerial robotics testbed, and suggests strategies to mitigate the
effects of such a failure. In addition, a detailed analysis into the attitude dynamics of multicopters is presented, from which follow generic conditions for a multicopter to maintain
a “relaxed hover” (that is, remaining substantially at one place). This analysis is used
to derive controllers with which a quadrocopter can maintain flight despite the complete
loss of all but one of its propellers. Similarly, novel vehicles are designed that have fewer
than four propellers.
The research into state estimation presents two generic methods for state estimation of
a dynamic system, where the state includes an attitude. The two methods are extensions
of the extended and unscented Kalman filters, and build on existing methods that encode
the attitude to be estimated with a redundant representation (the system state vector
includes a three element representation, in addition to a separate “reference” attitude).
It is shown that, in contrast to existing methods, the methods are shown to keep track
of the covariance correctly.
Based on the desire to have cheap, reliable, and flexible localisation for flying vehicles,
work is also presented that fuses ultra-wideband ranging radios with the inertial sensors
on a quadrocopter to estimate the quadrocopter’s position, velocity, attitude, and angular
velocity. This estimator is computationally light-weight enough to be run on a standard
microcontroller, and the additional sensors are light and small enough to not significantly
impact the performance of the quadrocopter to which they are attached.
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Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit untersucht drei verschiedene Aspekte, die dazu dienen die Autonomie von Quadrokoptersystemen zu verbessern. Solche Systeme haben an Popularität
gewonnen, da sie einen relativ einfachen und günstigen Zugang zum Luftraum bieten. Ihr
potentieller Wert für die Industrie liegt grösstenteils in ihren autonomen Eigenschaften,
welche es ermöglichen Aufgaben sicher und zuverlässig mit einem Minimum an menschlicher Unterstützung auszuführen. In dieser Arbeit werden speziell die drei folgenden
Aspekte untersucht: Generierung von Trajektorien, Sicherheitsstrategien und neue Vehikel, und Zustandsschätzung.
Die entwickelten Algorithmen für die Trajektoriengenerierung haben das Ziel agile Manöver mit möglichst geringem Rechenaufwand auszuführen. Dafür werden zwei
Ansätze präsentiert, wovon der erste in ungefähr einer Mikrosekunde auf einem Laptop
eine Trajektorie generieren und verifizieren kann. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die
Durchführbarkeit der Trajektorie erst nach der Generierung überprüft wird. Der zweite
Ansatz transformiert die Trajektoriengenerierung in ein konvexes Optimierungsproblem
und benutzt moderne, hoch-optimierte Methoden um die Trajektorien zu lösen, was den
Nachteil hat, dass der Definitionsbereich der Systemeingänge nur durch konservative konvexe Annäherungen beschrieben werden kann.
Der zweite Teil dieser Arbeit untersucht das Versagen einzelner Komponenten, die die
globale Rückkopplungsschleife eines Quadrokopter in einer geschlossen Testumgebung
unterbrechen würden und schlägt Strategien vor um die Effekte eines solchen Versagens
zu mindern. Weiterhin wird eine detaillierte Analyse von der Orientierungsdynamik von
Multikoptern präsentiert, woraus allgemeine Bedingungen folgen unter denen ein Multikopter im weiteren Sinn schweben kann (d.h. ungefähr an einer Stelle bleiben). Diese
Analyse wird dazu benutzt einen Regler zu entwickeln mit dem ein Quadrokopter trotz
des Verlustes von bis zu drei Propellern fliegen kann. In einer ähnlichen Weise werden
neue Flugvehikel entworfen, die weniger als vier Propeller besitzen.
Der letzte Teil dieser Arbeit behandelt die Zustandsschätzung und präsentiert zwei generische Methoden um den Zustand von einem dynamischen System zu schätzen, der als
Zustand eine Orientierung beinhaltet. Diese Methoden sind Erweiterungen des sogenannten “extended” und “unscented Kalman filter” und bauen auf existierende Methoden, die
es ermöglichen eine Orientierung zu encodieren (der Zustandsvektor enthält drei Orientierungselemente und zusätzlich eine “Referenzorientierung”). Es wird bewiesen, dass diese
Methoden im Gegensatz zu existierenden Methoden die Kovarianz des Fehlers richtig
abschätzen.
Generell ist eine günstige, zuverlässige und flexible Lokalisierung für Fluggeräte er-
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strebenswert. In dieser Arbeit wird ein Quadrokopter präsentiert, der mit einem Ultrabreitbandradio ausgestattet ist, das (im Zusammenspiel mit Inertialsensoren) es ermöglicht
die Position, Geschwindigkeit, Orientierung, und Winkelgeschwindigkeit von Quadrokoptern zu schätzen. Dieser Zustandsschätzer braucht wenig Rechenleistung und läuft auf
einem Standardmikrokontroller. Das zusätzliche Radio ist so leicht und klein, dass es ohne
grossen Einfluss auf die Dynamik eines Quadrokopter montiert werden kann.
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