Prespecified-Performance Kinematic Tracking Control for Aerial Manipulation

📄 arXiv: 2509.10065v2 📥 PDF

作者: Hauzi Cao, Jiahao Shen, Zhengzhen Li, Qinquan Ren, Shiyu Zhao

分类: cs.RO

发布日期: 2025-09-12 (更新: 2025-09-18)

💡 一句话要点

针对空中机械臂，提出预设性能的末端执行器运动学跟踪控制方法

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 空中机械臂 运动学控制 预设性能控制 二次规划 轨迹跟踪

📋 核心要点

  1. 现有空中机械臂运动学跟踪控制方法难以在特定时间约束内完成任务，存在局限性。
  2. 提出一种新控制框架，结合预设轨迹的末端执行器跟踪控制和二次规划的参考分配。
  3. 实验验证表明，该方法能保证末端执行器在预设时间内到达目标位置，并满足性能要求。

📝 摘要（中文）

本文研究了空中机械臂的运动学跟踪控制问题。现有的运动学跟踪控制方法通常采用比例-微分反馈或基于跟踪误差的反馈策略，但可能无法在指定的时间约束内实现跟踪目标。为了解决这个局限性，我们提出了一种新的控制框架，该框架包含两个关键组成部分：基于用户定义的预设轨迹的末端执行器跟踪控制和基于二次规划的参考分配。与最先进的方法相比，该方法具有几个吸引人的特点。首先，它确保末端执行器在预设时间内到达期望位置，同时将跟踪误差保持在反映任务要求的性能范围内。其次，采用二次规划来分配四旋翼基座和Delta臂的参考，同时考虑空中机械臂的物理约束，从而避免可能违反物理限制的解决方案。通过三个实验验证了所提方法的有效性，实验结果表明了该算法的有效性及其保证在预设时间内到达目标位置的能力。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决空中机械臂末端执行器的运动学跟踪控制问题。现有方法，如比例-微分反馈或基于跟踪误差的反馈，难以在预设时间约束下保证跟踪性能，无法同时兼顾时间限制和误差范围。

核心思路：核心思路是将末端执行器的跟踪控制分解为两个部分：首先，基于用户预先设定的轨迹进行跟踪，保证时间约束；其次，利用二次规划方法，在考虑机械臂物理约束的前提下，合理分配四旋翼基座和Delta臂的参考指令，避免违反物理限制。

技术框架：该控制框架包含两个主要模块：1) 末端执行器跟踪控制模块，基于用户定义的预设轨迹生成控制指令，确保末端执行器在预设时间内到达目标位置。2) 参考分配模块，采用二次规划方法，根据空中机械臂的物理约束，优化分配四旋翼基座和Delta臂的参考指令。

关键创新：关键创新在于将预设性能控制与二次规划参考分配相结合。预设性能控制保证了时间约束和误差范围，而二次规划则确保了控制指令的可行性，避免了违反物理约束的情况。与传统方法相比，该方法能够更好地满足实际应用中的需求。

关键设计：预设轨迹的设计需要考虑空中机械臂的运动能力和任务需求。二次规划的目标函数需要包含跟踪误差、控制输入和物理约束等因素。具体参数设置需要根据实际系统进行调整。二次规划中约束条件的设计需要精确描述空中机械臂的运动范围和力矩限制。

📊 实验亮点

实验结果表明，所提出的算法能够有效地控制空中机械臂的末端执行器，使其在预设时间内到达目标位置，并保持跟踪误差在可接受的范围内。与传统方法相比，该方法能够更好地满足时间约束和物理约束，提高了控制性能和鲁棒性。具体性能数据（如跟踪误差、到达时间等）未在摘要中明确给出，属于未知信息。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于多种需要精确操作的空中作业场景，例如桥梁检测、高压线维护、灾害救援等。通过精确控制空中机械臂的末端执行器，可以提高作业效率和安全性，降低人工操作的风险。未来，该方法有望进一步推广到更复杂的空中机器人系统，实现更高级的自主作业能力。

📄 摘要（原文）

This paper studies the kinematic tracking control problem for aerial manipulators. Existing kinematic tracking control methods, which typically employ proportional-derivative feedback or tracking-error-based feedback strategies, may fail to achieve tracking objectives within specified time constraints. To address this limitation, we propose a novel control framework comprising two key components: end-effector tracking control based on a user-defined preset trajectory and quadratic programming-based reference allocation. Compared with state-of-the-art approaches, the proposed method has several attractive features. First, it ensures that the end-effector reaches the desired position within a preset time while keeping the tracking error within a performance envelope that reflects task requirements. Second, quadratic programming is employed to allocate the references of the quadcopter base and the Delta arm, while considering the physical constraints of the aerial manipulator, thus preventing solutions that may violate physical limitations. The proposed approach is validated through three experiments. Experimental results demonstrate the effectiveness of the proposed algorithm and its capability to guarantee that the target position is reached within the preset time.