Effector-Centric NMPC of Tiltable-Multirotors for Offset-Free Omnidirectional Aerial Manipulation
作者: Jinjie Li, Yicheng Chen, Johannes Kübel, Haokun Liu, Junichiro Sugihara, Moju Zhao
分类: cs.RO
发布日期: 2026-08-18
备注: 22 pages, 26 figures. Accepted to IEEE Transactions on Robotics (T-RO). This arXiv version includes a two-page appendix with additional implementation details
💡 一句话要点
提出基于效应器的NMPC框架以实现无偏差的全向空中操作
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 空中操作 倾斜多旋翼 非线性模型预测控制 扭矩生成 奇异性处理 扰动补偿 机器人技术
📋 核心要点
- 现有的空中操作系统在处理复杂环境时常常面临扭矩生成和姿态控制的挑战，导致操作效率低下。
- 论文提出了一种基于扭矩的控制框架，结合了设计选择、奇异性处理和扰动补偿，形成统一的NMPC方案。
- 通过实验证明，该框架在倾斜四旋翼上实现了高频率控制，成功完成了多种复杂的空中操作任务。
📝 摘要（中文）
空中操作将机器人操作扩展到以前无法到达的空中环境。与配备机械臂的空中系统不同，倾斜多旋翼可以通过其飞行基座直接生成六自由度的扭矩，从而实现高效运动和全向操作。本文提出了一种针对倾斜多旋翼的设计分析和基于扭矩的控制框架，展示了四旋翼倾斜配置在不同姿态下的干扰无关的螺旋桨尺寸与悬停效率之间的平衡。我们进一步提出了一种双重策略来应对扰动，包括针对模型误差的修改积分项和基于加速度的外部扭矩估计器。基于这些见解，我们开发了一个效应器中心的非线性模型预测控制（NMPC）框架，能够在100 Hz的频率下完全在定制的倾斜四旋翼上运行。
🔬 方法详解
问题定义：本研究旨在解决倾斜多旋翼在空中操作中面临的扭矩生成和姿态控制问题，现有方法在复杂环境中效率低下且难以处理奇异配置。
核心思路：论文提出了一种基于扭矩的控制框架，利用倾斜多旋翼的设计优势，结合NMPC方法，能够有效处理扰动和奇异性问题。
技术框架：整体架构包括设计分析、扭矩生成模型、扰动补偿策略和NMPC控制模块，确保在复杂环境中实现高效的空中操作。
关键创新：最重要的创新在于提出了效应器中心的NMPC框架，能够在高频率下运行并有效处理奇异性和外部扰动，与传统方法相比，显著提升了操作的灵活性和稳定性。
关键设计：关键设计包括对四旋翼倾斜配置的优化、修改的积分控制策略、加速度估计器的实现，以及在控制算法中对奇异性处理的集成。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，所提出的NMPC框架在倾斜四旋翼上以100 Hz的频率成功执行了90度的侧翻、白板推送和360度阀门旋转等任务，展示了在奇异配置下的有效操作能力，显著提高了操作的灵活性和效率。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括无人机配送、空中建筑维护、环境监测等，能够在复杂和动态的环境中实现高效的空中操作。未来，该技术有望推动空中机器人在更广泛领域的应用，提升其自主性和适应性。
📄 摘要（原文）
Aerial manipulation extends robotic operations to previously inaccessible aerial environments. Unlike arm-equipped aerial systems, tiltable-multirotors can directly generate six-degree-of-freedom wrenches through their flight bases, enabling both efficient movement and omnidirectional operation by tilting the thrust direction. This work presents a design analysis and a wrench-based control framework for tiltable-multirotors in aerial manipulation. We show that a four-rotor tiltable configuration provides a balance between interference-free propeller sizing and hovering efficiency across different attitudes, and its null-space redundancy is crucial for traversing singular configurations under physical constraints. We further show that an upward end-effector placement yields a favorable trade-off between geometric clearance and available wrench. To address disturbances, we propose a dual strategy consisting of a modified integral term for model error and an acceleration-based estimator for external wrenches. Building on these insights, we develop an effector-centric nonlinear model predictive control (NMPC) framework that integrates design choices, singularity handling, and disturbance compensation into a unified formulation. The proposed framework runs fully onboard at 100 Hz on a custom-built tiltable-quadrotor. Real-world experiments, including a 90-deg step cartwheel rotation, whiteboard pushing, and continuous 360-deg valve turning, demonstrate the feasibility of wrench-based omnidirectional manipulation with singularity traversal on a one-DoF-per-arm tiltable-quadrotor.