Laboratoire SUPINFO de recherche en robotique

La jonglerie des Quadrirotors

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9 mar, 2013

Vous avez tous certainement entendu parler de l’AR Drone, ce petit quadricopter dirigé par WIFI depuis vos iDevice ?

Ici, le principe est le même. Mais avec des robots plus petit, et un contrôle autonome assez impressionnant !

En effet, ces deux quadrirotors sont littéralement capable de jongler avec un pendule inversé (un genre de bâton qui tient debout quand on le pose à 180°), et sa en plein vol !

Regardez par vous même:

Cette petite prouesse est l’oeuvre Dario Brescianini, étudiant à l’ETH de Zurich (Institut des systèmes dynamiques et de contrôle) pour son projet de maîtrise. Le tout orchestré par la FMA (Fly Machin Arena), un espace portable de 10x10x10m destiné au vol autonome. Capture de mouvement de haute précision,  réseaux de communication sans fil, essai de logiciel ou d’algorithme sophistiqué pour la prédiction, l’estimation et le Control. La FMA permet de localiser dans son espace une multitude d’objet en mouvement jusqu’à 10ms avec un (bon) ratio de 200 frame par seconde (fps). Les données sont ensuite analysées pour la création de model dynamiques destinés à développements futur. Plus d’infos sur leur site.

Un projet aussi complexe de part sa dynamique et ses courts lapse de temps c’est fait progressivement.

La première étape était de comprendre le mouvement que le quadricopter devait effectuer pour lancer le pendule. Ils ont commencé sur un model 2D, une projection mathématique.

Une fois la base théorique obtenue, plusieurs hypothèses ont du être vérifiées:

  • Le pendule va-t’il quitter le quadricopter au moment pré calculé ?
  • Comment le pendule ce comportera t’il pendant le vol ?
  • Comment le pendule tiendra sur la plateforme ? Va-t’il glisser ? Basculer ?
  • etc …

Comment faire ? Du test, du test, du test. Dont une multitude de jetés de pendule à la main pour comprendre son mouvement, analyser sa chute, prédire, documenter et référencer toutes ses variations.

Support du pendule

Support du pendule

 

Les deux quadrirotors étaient équipés avec une plaque de 12cm qui pourrait tenir le pendule tandis que les absorbeurs de choc et d’équilibrage développés spécialement ont été ajouté à l’extrémité du pendule.

Plateforme du quadrirotors

Plateforme du quadrirotors

 

 

Dario writes:

This project was very interesting because it combined various areas of current research and many complex questions had to be answered: How can the pole be launched off the quadrocopter? Where should it be caught and – more importantly – when? What happens at impact?

 

Premièrement, un estimateur d’état a été utilisé pour déterminer le mouvement du pendule en vol. Aussi quels étaient les paramètres à prendre en compte pour savoir si il glisserai une fois sur la plateforme ou non.

L’angle ! Après de nombreux essais, l’équipe a trouvé qu’un pendule en chute libre ce déplace latéralement si il est orienté selon un angle. Il était très important de pouvoir déterminer la positions d’arrivé du pendule. (afin de pouvoir le récupérer !)

Deuxièmement, un générateur de trajectoire ultra rapide était nécessaire afin de déterminer le parcours du second quadrirotors pour récupérer le pendule. En effet, après avoir réussis a déterminer si le pendule est en vole, et avoir calculer sa trajectoire, il faut définir la nouvelle position du quadrimoteurs et sa en quelque ms !

MatthLes calculs mathématiques sont précis, mais ne reflètent pas à 100% la réalité.  La mise en place d’un algorithme d’apprentissage a permis de corriger les écarts par rapport aux model théoriques pour 2 évènements majeurs:

    1. Une correction pour le point désiré de capture du pendule. Ce qui a entre autre permis d’enregistrer les erreurs systématiques du model de la trajectoire du jeter et du vol du pendule.
    2. Une deuxième correction pour la position de capture du quadricopters, permettant cette fois de capturer et analyser les erreurs du model de mouvement rapide (rattrapage du pendule).

Le résultat est surprenant: deux quadrirotors qui peuvent s’échanger un pendule en vol. Il faut savoir que la durée moyenne d’un jet est de 0.65 secondes, un délai très court pour déplacer le quadrirotors et le replacer dans une positions dites de « repos » propice à la réception.

Quadrotors Juggling

Quadrotors Juggling !

 

Un dernier point qu’on peu éclairer  le coup de cette démonstration.  L’équipe de réalisation explique sur son blog qu’il a fallu de nombreux quadricopters pour parvenir au bout du projet. Oui, un pendule traversant en plein vol les pales d’un quadrirotors ne pardonne pas… Il a à chaque fois fallu rééquilibre, re paramétrer, calibrer les machines…)

 

 

Markus Hehn:

As it turned out, it is probably the most challenging task we’ve had our quadrocopters do. With significantly less than one second to measure the pendulum flight and get the catching vehicle in place, it’s the combination of mathematical models with real-time trajectory generation, optimal control, and learning from previous iterations that allowed us to implement this.

Quadrotorsfma_3.jpg

Sources:

Mathieu LOISEAU | @mtx_z

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