In this thesis, a vision-enabled autonomous aerial parallel manipulator and the novel image-based visual servoing (IBVS) framework for the precise relative motion control are proposed. The main research purpose of existing aerial manipulators which has the serial manipulator is to maximize the hovering stabilization performance of the host vehicle in order to utilize the large workspace of its manipulator. On the other hands, the main research purpose of the proposed platform, as called the aerial parallel manipulator which has the parallel manipulator, is to perform the relative motion control of the host vehicle more actively by calculating the guidance command throughout the movement of the end-effector. In this thesis, the novel image-based visual servoing (IBVS) framework are proposed in order to perform the relative motion control more actively in whole mission region including the approaching and contacting phase. Furthermore, it is validated and verified in the MATLAB/Simulink six-DOF simulation and the indoor/outdoor flight test. All systems of the proposed platform are onboard unlike previous studies. Also, the proposed framework provides a Gaussian process-based reference feature path consisting of a set of reference point-like features between the initial and desired features. In order to overcome the vulnerabilities of standard IBVS with respect to large disparities, both the interpolated and extrapolated feature paths are fused to generate relative body velocity commands fed into the under-actuated aerial parallel manipulator. The proposed framework can generate not only stable but also feasible control input. In addition, the proposed framework not only achieves low computational complexity and high real-time performance but also high performance under more difficult initial conditions, unlike general verified environment.
본 학위논문은 3자유도를 갖는 병렬 매니퓰레이터와 멀티로터형 무인기를 결합한 새로운 형태의 작업형 자율비행 플랫폼을 구축하고 이것의 정밀한 상대운동제어를 위한 영상기반 비주얼 서보잉에 관한 연구를 수행하고 그 결과를 기술하였다. 기존의 비행 매니퓰레이터는 산업용 로봇팔 형태인 직렬 매니퓰레이터의 큰 작업공간을 활용하기 위해 무인기의 정지비행 안정성관련 성능을 극대화하는 것이 주요 연구목표였다면, 본 논문에서 제안하는 비행 병렬 매니퓰레이터는 매니퓰레이터의 움직임을 통해 무인기의 유도제어명령을 산출하고 이것을 이용하여 무인기의 유도제어를 수행하여 원하는 목표와의 상대운동을 보다 적극적으로 수행하는 것이 주요 연구목표이다. 본 논문에서는 이러한 적극적인 상대운동을 수행하기 위해 지정된 목표와의 원거리 상대운동부터 근거리 상대운동을 포함하는 전 구간에서 적용 가능한 새로운 영상기반 비주얼 서보잉 기법을 제안 및 구현하였고 이를 MATLAB/Simulink 기반 6자유도 비행 시뮬레이션과 비행실험을 통해 성능을 검증하였다. 이 때, 본 논문에서는 제안한 플랫폼을 실제로 제작하여 비행실험에 활용하였고 모든 시스템을 자체 탑재하였다. 또한, 본 논문에서 제시한 영상기반 비주얼 서보잉 기법은 일반적인 기법 및 새롭게 제시되어 왔던 다른 기법과는 다르게 적은 계산량과 높은 실시간성을 확보했을 뿐만 아니라, 보다 어려운 초기조건 하에서 높은 성능을 보여주었으므로 다른 연구와의 차별성을 확보하였다.
