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Abstrakt in Englisch

In the following decades, aerial manipulators are expected to be deployed in scenarios that are either too dangerous for human beings or too expensive to be accomplished by traditional methods. This thesis presents a novel solution for the overall control of highly redundant aerial manipulation systems. The results are applied to a reference configuration established as a universal platform for performing various aerial manipulation tasks. The platform consists of an omnidirectional multirotor UAV and a serial manipulator. To ensure modular control design, two computationally efficient algorithms are studied to allocate the virtual input to actuator commands. Fault tolerance of the aerial vehicle is achieved by integrating a diagnostic module based on an artificial neural network and the reconfigurable control allocation into the control loop. Besides, the risk of input saturation of individual rotors is minimized by predicting and reconfiguring the speed and acceleration responses. Two filter-based observers are presented to provide the knowledge of external forces and torques, which is necessary to achieve compliant behavior of the end-effector through an axis-selective impedance control in the outer loop. Exploiting the redundancy of the proposed aerial manipulator, the author has designed a control law to achieve the desired end-effector motion and execute secondary tasks in order of priority. The effectiveness of the proposed designs is verified with extensive tests generated by following Monte Carlo method, and the presented control scheme is proved to be versatile and effective.

Abstrakt in Deutsch

Es ist vorhersehbar, dass die Luftmanipulatoren in den nächsten Jahrzehnten für viele Aufgaben eingesetzt werden, die entweder zu gefährlich oder zu teuer sind, um sie mit herkömmlichen Methoden zu bewältigen. In dieser Arbeit wird eine neuartige Lösung für die Gesamtsteuerung von hochredundanten Luftmanipulationssystemen vorgestellt. Die Ergebnisse werden auf eine Referenzkonfiguration angewendet, die als universelle Plattform für die Durchführung verschiedener Luftmanipulationsaufgaben etabliert wird. Diese Plattform besteht aus einer omnidirektionalen Drohne und einem seriellen Manipulator. Um den modularen Regelungsentwurf zu gewährleisten, werden zwei rechnerisch effiziente Algorithmen untersucht, um den virtuellen Eingang den Aktuatorbefehlen zuzuordnen. Durch die Integration eines auf einem künstlichen neuronalen Netz basierenden Diagnosemoduls und der rekonfigurierbaren Steuerungszuordnung in den Regelkreis, wird die Fehlertoleranz für die Drohne erzielt. Außerdem wird die Motorsättigung durch Rekonfiguration der Geschwindigkeits- und Beschleunigungsprofile behandelt. Für die Beobachtung der externen Kräfte und Drehmomente werden zwei Filter vorgestellt. Dies ist notwendig, um ein nachgiebiges Verhalten des Endeffektors durch die achsenselektive Impedanzregelung zu erreichen. Unter Ausnutzung der Redundanz des vorgestellten Luftmanipulators wird ein Regler entworfen, der nicht nur die Referenz der Endeffektor-Bewegung verfolgt, sondern auch priorisierte sekundäre Aufgaben ausführt. Die Wirksamkeit der vorgestellten Lösungen wird durch umfangreiche Tests überprüft, und das vorgestellte Steuerungssystem wird als sehr vielseitig und effektiv bewertet.