Design et développement d'un quadrirotor joueur de tennis de table avec des hélices inclinables

Les bras manipulateurs joueurs de tennis de table les plus avancés sont chers et leur configuration requière beaucoup d'espace. On pourrait considérer l'utilisation de robots aériens pour exécuter cette tâche, mais la plupart des avions à décollage et atterrissage verticales (ADAV) ne sont pas suffisamment rapides pour reproduire des mouvements de frappes. L'objectif de la recherche présentée dans ce mémoire est de développer un nouveau type de robot aérien joueur de tennis de table. Un prototype de quadrirotor ayant des hélices inclinables est d'abord considéré pour permettre de suivre des trajectoires agressives. Le robot a besoin d'atteindre des vitesses de 3.5 m/s au point d'impact et de rester suffisamment léger pour être agile. Ensuite, pour obtenir de hautes performances sur ce requis, un contrôleur Itérative Linéaire Quadratique Régulateur (iLQR) qui suit des trajectoires ayant un snap minimum est implémenté. Le contrôle de la boucle interne est délégué à un microcontrôleur PX4 pour le tangage, le lacet et le roulis pour assurer une bonne robustesse et une haute fréquence. Cette approche est testée dans une simulation réaliste et ensuite le framework complet pour cette application est développer sur un ordinateur embarqué. Des résultats expérimentaux ont été obtenus avec des caméras de capture de mouvements donnant la position et le temps d'impact. Cette information est envoyée au quadrirotor par communication sans-fil et la trajectoire est exécutée immédiatement. Au meilleur de nos connaissances, il s'agit du premier robot aérien étant capable de retourner des balles de tennis de table lancées par un humain. Un taux de succès de 40% est obtenu sur les frappes avec le modèle réel du quadrirotor, significativement supérieur à ce qui était possible d'atteindre auparavant avec un quadrirotor.

Abstract

State-of-art table tennis robot manipulators are expensive and their setup require a lot of space. One could consider using aerial robots for this task, but most vertical takeoff and landing (VTOL) vehicles are not fast enough to reproduce hitting motions. The objective of the research presented in this thesis is to develop a novel type of aerial robot tennis table player. A prototype of a quadrotor that uses tilting propellers is first considered to enable the possibility of aggressive trajectory tracking. The system needs to reach speeds up to 3.5 m/s at the position of impact and to remain light enough to be agile. Next, to obtain high performances for this requirement, an Iterative Quadratic Linear Controller (iLQR) method that follows minimum snap planned trajectories is implemented. Inner-loop control is delegated to a PX4 microcontroller for roll, pitch and yaw to ensure good robustness and high frequency. This approach is tested in a realistic simulation and then the complete software for this task is developed on an onboard computer. Experimental results have been conducted with a motion capture system to have the full state estimate of the system. The trajectory of the ball is also estimated by the motion capture system, giving the position and time of impact. This information is then sent to quadrotor wirelessly and the trajectory is executed immediately. To the best of our knowledge, this is the first aerial robot capable to return tennis table balls thrown by a human. Hitting rates of 40% are achieved with the real quadrotor, significantly better than what was possible before for a quadrotor.