MODBOAT是一种低成本，不足的模块化机器人，能够进行表面游泳，停靠到其他模块，并仅使用一个电动机和两个被动式拖鞋从中脱落。通过在某些配置中引起相邻模块的尾巴之间的故意自我碰撞来实现撤消；但是，当集体游泳作为一个连接的组件是理想的时，这将成为一个挑战。在这项工作中，我们制定了一种集中式控制策略，以允许\ textit {任意}配置Modboats作为单个可通道的车辆游泳，并保证不会意外撤离。我们还提出了一个简化的模型，用于在实时控制的配置中以船只之间的流体动力相互作用。我们在实验上证明，我们的控制器的性能很好，对于各种尺寸和形状的配置都是一致的，并且可以同时控制潮流速度和偏航角。游泳时保持可控性，但是纯偏航控制会导致侧向运动，而横向运动不能被提出的框架抵消。

Modboat是一种低成本，不足的模块化机器人，能够表面游泳。它能够单独游泳，停靠其他Modboats，并仅使用单个电动机和两个被动拖鞋从它们中取消锁定。通过在相邻模块的尾巴之间引起故意自我碰撞，可以实现无额外动理的撤消；当团队游泳是一个连接的组件时，这将成为一个挑战。在这项工作中，我们制定了一种控制策略，以使平行的Modboats的平行格子作为一个单元游泳，该单元通常需要自动模块。我们表明，保证控制策略可以避免无意中的脱节，并最大程度地减少晶格内的内力。实验验证表明，控制器的性能很好，并且对于各种尺寸的晶格是一致的。游泳时保持可控性，但是纯偏航控制会导致侧向运动，而横向运动不能被提出的框架抵消。

The Modboat is a low-cost, underactuated, modular robot capable of surface swimming, docking to other modules, and undocking from them using only a single motor and two passive flippers. Undocking is achieved by causing intentional self-collision between the tails of neighboring modules in certain configurations; this becomes a challenge, however, when collective swimming as one connected component is desirable. Prior work has developed controllers that turn arbitrary configurations of docked Modboats into steerable vehicles, but they cannot counteract lateral forces and disturbances. In this work we present a centralized control strategy to create holonomic vehicles out of arbitrary configurations of docked Modboats using an iterative potential-field based search. We experimentally demonstrate that our controller performs well and can control surge and sway velocities and yaw angle simultaneously.

本文提出了一项新颖的控制法，以使用尾随机翼无人驾驶飞机（UAV）进行准确跟踪敏捷轨迹，该轨道在垂直起飞和降落（VTOL）和向前飞行之间过渡。全球控制配方可以在整个飞行信封中进行操作，包括与Sideslip的不协调的飞行。显示了具有简化空气动力学模型的非线性尾尾动力学的差异平坦度。使用扁平度变换，提出的控制器结合了位置参考的跟踪及其导数速度，加速度和混蛋以及偏航参考和偏航速率。通过角速度进纸术语包含混蛋和偏航率参考，可以改善随着快速变化的加速度跟踪轨迹。控制器不取决于广泛的空气动力学建模，而是使用增量非线性动态反演（INDI）仅基于局部输入输出关系来计算控制更新，从而导致对简化空气动力学方程中差异的稳健性。非线性输入输出关系的精确反转是通过派生的平坦变换实现的。在飞行测试中对所得的控制算法进行了广泛的评估，在该测试中，它展示了准确的轨迹跟踪和挑战性敏捷操作，例如侧向飞行和转弯时的侵略性过渡。

提出了一种能够改变形状中空飞行的新型Quadcopter，允许在四种配置中进行操作，其中包含持续的悬停在三个配置中。这是实现的，而不需要超出Quadcopter典型的四个电动机的执行器。通过自由旋转铰链来实现变形，使车臂通过减少或逆转推力向下折叠。放置在车辆的控制输入上的约束防止臂意外折叠或展开。这允许使用现有的四转器控制器和轨迹生成算法，只有最小的增加的复杂性。对于我们在悬停的实验载体中，我们发现这些约束导致车辆可以产生的最大偏航扭矩的36％减少，但不会导致最大推力或卷和螺距扭矩的减少。实验结果表明，对于典型的操纵，增加的限制对轨迹跟踪性能的影响忽略不计。最后，示出了改变配置的能力，使车辆能够在悬挂导线上移动小通道，并且执行有限的抓取任务。

We address the theoretical and practical problems related to the trajectory generation and tracking control of tail-sitter UAVs. Theoretically, we focus on the differential flatness property with full exploitation of actual UAV aerodynamic models, which lays a foundation for generating dynamically feasible trajectory and achieving high-performance tracking control. We have found that a tail-sitter is differentially flat with accurate aerodynamic models within the entire flight envelope, by specifying coordinate flight condition and choosing the vehicle position as the flat output. This fundamental property allows us to fully exploit the high-fidelity aerodynamic models in the trajectory planning and tracking control to achieve accurate tail-sitter flights. Particularly, an optimization-based trajectory planner for tail-sitters is proposed to design high-quality, smooth trajectories with consideration of kinodynamic constraints, singularity-free constraints and actuator saturation. The planned trajectory of flat output is transformed to state trajectory in real-time with consideration of wind in environments. To track the state trajectory, a global, singularity-free, and minimally-parameterized on-manifold MPC is developed, which fully leverages the accurate aerodynamic model to achieve high-accuracy trajectory tracking within the whole flight envelope. The effectiveness of the proposed framework is demonstrated through extensive real-world experiments in both indoor and outdoor field tests, including agile SE(3) flight through consecutive narrow windows requiring specific attitude and with speed up to 10m/s, typical tail-sitter maneuvers (transition, level flight and loiter) with speed up to 20m/s, and extremely aggressive aerobatic maneuvers (Wingover, Loop, Vertical Eight and Cuban Eight) with acceleration up to 2.5g.

基于对高分辨率水下视觉调查的需求，本研究表明，现有的烟囱II自主水下车辆（AUV）适应完全悬停的AUV完全能够进行自主，近​​距离成像调查任务。本文重点介绍了AUV机动能力的增强（实现了改进的机动控制），实现了最新推进器分配算法的状态（允许最佳推进器分配和推进器冗余），以及在控制器之后的升级路径的开发以便于精确开发高分辨率成像任务所需的精致运动。为了便于车辆适应，开发了一种动态模型。提出了使用良好接受的公式，通过计算流体动力学和实际海上实验获得最初获得的动态模型系数的校准过程。还提出了耐压成像系统的房屋开发。该系统包括立体声相机和高功率闪电闪光灯，并作为专用AUV有效载荷装配。最后，在实际海床视觉调查任务中证明了平台的性能。

This book provides a solution to the control and motion planning design for an octocopter system. It includes a particular choice of control and motion planning algorithms which is based on the authors' previous research work, so it can be used as a reference design guidance for students, researchers as well as autonomous vehicles hobbyists. The control is constructed based on a fault tolerant approach aiming to increase the chances of the system to detect and isolate a potential failure in order to produce feasible control signals to the remaining active motors. The used motion planning algorithm is risk-aware by means that it takes into account the constraints related to the fault-dependant and mission-related maneuverability analysis of the octocopter system during the planning stage. Such a planner generates only those reference trajectories along which the octocopter system would be safe and capable of good tracking in case of a single motor fault and of majority of double motor fault scenarios. The control and motion planning algorithms presented in the book aim to increase the overall reliability of the system for completing the mission.

A reduced order model of a generic submarine is presented. Computational fluid dynamics (CFD) results are used to create and validate a model that includes depth dependence and the effect of waves on the craft. The model and the procedure to obtain its coefficients are discussed, and examples of the data used to obtain the model coefficients are presented. An example of operation following a complex path is presented and results from the reduced order model are compared to those from an equivalent CFD calculation. The controller implemented to complete these maneuvers is also presented.

我们提出了一种基于流动的控制策略，该策略使资源受限的海洋机器人能够在给定范围内周期性的轨道轨迹上巡逻类似Gyre的流动环境。控制器不需要流场的详细模型，而仅依赖于机器人的位置相对于GYRE的中心。该机器人不是精确地跟踪预定义的轨迹，而是任务保留在两个具有已知周期性的边界轨迹之间。此外，提出的策略利用周围的流场最大程度地减少控制努力。我们证明，提出的策略使机器人能够在满足所需周期性要求的流量中循环。我们的方法在模拟和实验中使用低成本，不足的表面游泳机器人（即Modboat）进行了测试和验证。

虽然在各种应用中广泛使用刚性机器人，但它们在他们可以执行的任务中受到限制，并且在密切的人机交互中可以保持不安全。另一方面，软机器鞋面超越了刚性机器人的能力，例如与工作环境，自由度，自由度，制造成本和与环境安全互动的兼容性。本文研究了纤维增强弹性机壳（释放）作为一种特定类型的软气动致动器的行为，可用于软装饰器。创建动态集参数模型以在各种操作条件下模拟单一免费的运动，并通知控制器的设计。所提出的PID控制器使用旋转角度来控制多项式函数之后的自由到限定的步进输入或轨迹的响应来控制末端执行器的方向。另外，采用有限元分析方法，包括释放的固有非线性材料特性，精确地评估释放的各种参数和配置。该工具还用于确定模块中多个释放的工作空间，这基本上是软机械臂的构建块。

该论文提出了一个计划者，以使用质心动力学和人形机器人的完整运动学来产生步行轨迹。机器人与行走表面之间的相互作用是通过新条件明确建模的，即\ emph {动态互补性约束}。该方法不需要预定义的接触序列，并自动生成脚步。我们通过一组任务来表征机器人控制目标，并通过解决最佳控制问题来解决它。我们表明，可以通过指定最小的参考集，例如恒定所需的质量速度中心和地面上的参考点来自动实现行走运动。此外，我们分析了接触模型选择如何影响计算时间。我们通过为人形机器人ICUB生成和测试步行轨迹来验证该方法。

拍打翅膀是一种生物启发的方法，可在空中机器人中产生升力和推动，从而导致安静有效的运动。该技术的优点是安全性和可操作性，以及与环境，人类和动物的物理互动。但是，为了实现大量应用，这些机器人必须栖息和土地。尽管最近在栖息场上取得了进展，但直到今天，拍打翼车辆或鸟类动物仍无法停止在分支上的飞行。在本文中，我们提出了一种新颖的方法，该方法定义了一个可以可靠和自主将鸟鸟类降落在分支上的过程。该方法描述了拍打飞行控制器的联合操作，近距离校正系统和被动爪附件。飞行由三重俯仰高空控制器和集成的车身电子设备处理，允许以3 m/s的速度栖息。近距离校正系统，具有快速的光学分支传感可补偿着陆时的位置错位。这是通过被动双向爪设计可以补充的，可以锁定和固定2 nm的扭矩，在25毫秒内掌握，并且由于集成的肌腱致动而可以重新打开。栖息的方法补充了四步实验开发过程，该过程为成功的设计优化。我们用700 g的鸟杆验证了这种方法，并演示了在分支上拍打翼机器人的第一次自主栖息飞行，结果用第二个机器人复制。这项工作为在远程任务，观察，操纵和室外飞行中应用翼机器人的应用铺平了道路。

In this paper, we propose an effective unified control law for accurately tracking agile trajectories for lifting-wing quadcopters with different installation angles, which have the capability of vertical takeoff and landing (VTOL) as well as high-speed cruise flight. First, we derive a differential flatness transform for the lifting-wing dynamics with a nonlinear model under coordinated turn condition. To increase the tracking performance on agile trajectories, the proposed controller incorporates the state and input variables calculated from differential flatness as feedforward. In particular, the jerk, the 3-order derivative of the trajectory, is converted into angular velocity as a feedforward item, which significantly improves the system bandwidth. At the same time, feedback and feedforward outputs are combined to deal with external disturbances and model mismatch. The control algorithm has been thoroughly evaluated in the outdoor flight tests, which show that it can achieve accurate trajectory tracking.

通常，地形几何形状是非平滑的，非线性的，非凸的，如果通过以机器人为中心的视觉单元感知，则似乎部分被遮住且嘈杂。这项工作介绍了能够实时处理上述问题的完整控制管道。我们制定了一个轨迹优化问题，该问题可以在基本姿势和立足点上共同优化，但要遵守高度图。为了避免收敛到不良的本地Optima，我们部署了逐步的优化技术。我们嵌入了一个紧凑的接触式自由稳定性标准，该标准与非平板地面公式兼容。直接搭配用作转录方法，导致一个非线性优化问题，可以在少于十毫秒内在线解决。为了在存在外部干扰的情况下增加鲁棒性，我们用动量观察者关闭跟踪环。我们的实验证明了爬楼梯，踏上垫脚石上的楼梯，并利用各种动态步态在缝隙上。

Hybrid unmanned aerial vehicles (UAVs) integrate the efficient forward flight of fixed-wing and vertical takeoff and landing (VTOL) capabilities of multicopter UAVs. This paper presents the modeling, control and simulation of a new type of hybrid micro-small UAVs, coined as lifting-wing quadcopters. The airframe orientation of the lifting wing needs to tilt a specific angle often within $ 45$ degrees, neither nearly $ 90$ nor approximately $ 0$ degrees. Compared with some convertiplane and tail-sitter UAVs, the lifting-wing quadcopter has a highly reliable structure, robust wind resistance, low cruise speed and reliable transition flight, making it potential to work fully-autonomous outdoor or some confined airspace indoor. In the modeling part, forces and moments generated by both lifting wing and rotors are considered. Based on the established model, a unified controller for the full flight phase is designed. The controller has the capability of uniformly treating the hovering and forward flight, and enables a continuous transition between two modes, depending on the velocity command. What is more, by taking rotor thrust and aerodynamic force under consideration simultaneously, a control allocation based on optimization is utilized to realize cooperative control for energy saving. Finally, comprehensive Hardware-In-the-Loop (HIL) simulations are performed to verify the advantages of the designed aircraft and the proposed controller.

现代高性能战斗机超出了传统的飞行信封通过使用推力矢量进行机动性，因此实现超级措施。随着较持续发展的仿生无人驾驶飞行器（无人机），通过仿生机制的超级制剂能力可能变得明显。到目前为止，这种潜力尚未得到很好的研究：尚未显示生物摩托的无人机能够能够有任何形式的古典超级算法可用于推动矢量。在这里，我们通过展示生物微米传动翼无人机在低变形复杂度下如何执行复杂的Multiaxis鼻子指向和射击（NPA）机动，展示这种能力。非线性飞行动力学分析用于表征飞机修剪状态的多维空间的程度和稳定性，从仿生变形中出现。导航此修剪空间提供了一种基于模型的基于模型的指导策略，用于在仿真中生成开环NPAS操纵。我们的结果展示了仿古飞机用于空战相关的超级借助性的能力，并提供勘探，表征和在此类飞机中进一步形式的经典和非古典超级运动性的指导的策略。

由于这些要求的竞争性质，尤其是在一系列的运行速度和条件下，在转向控制中的准确性和误差融合与优美运动的平衡路径与优美的运动具有挑战性。本文表明，考虑滑移对运动学控制，动态控制和转向执行器速率命令的影响的集成多层转向控制器可实现准确且优美的路径。这项工作建立在多层侧滑和基于YAW的模型上，该模型允许派生控制器考虑由于侧滑而引起的误差以及转向命令和优美的侧向运动之间的映射。基于观察者的侧滑估计与运动控制器中的标题误差相结合，以提供前馈滑移补偿。使用基于速度的路径歧管，通过连续变量结构控制器（VSC）来补偿路径以下误差，以平衡优雅的运动和误差收敛。后台动态控制器使用结果偏航率命令来生成转向率命令。高增益观察者（HGO）估计输出反馈控制的侧滑和偏航率。提供了输出反馈控制器的稳定性分析，并解决了峰值。该工作仅针对侧向控制，因此转向控制器可以与其他速度控制器结合使用。现场结果提供了与相关方法的比较，这些方法在不同的复杂情况下证明了具有不同天气条件和扰动的不同复杂情况。

二次运动的准确轨迹跟踪控制对于在混乱环境中的安全导航至关重要。但是，由于非线性动态，复杂的空气动力学效应和驱动约束，这在敏捷飞行中具有挑战性。在本文中，我们通过经验比较两个最先进的控制框架：非线性模型预测控制器（NMPC）和基于差异的控制器（DFBC），通过以速度跟踪各种敏捷轨迹，最多20 m/s（即72 km/h）。比较在模拟和现实世界环境中进行，以系统地评估这两种方法从跟踪准确性，鲁棒性和计算效率的方面。我们以更高的计算时间和数值收敛问题的风险来表明NMPC在跟踪动态不可行的轨迹方面的优势。对于这两种方法，我们还定量研究了使用增量非线性动态反演（INDI）方法添加内环控制器的效果，以及添加空气动力学阻力模型的效果。我们在世界上最大的运动捕获系统之一中进行的真实实验表明，NMPC和DFBC的跟踪误差降低了78％以上，这表明有必要使用内环控制器和用于敏捷轨迹轨迹跟踪的空气动力学阻力模型。

在腿的运动中重新规划对于追踪所需的用户速度，在适应地形并拒绝外部干扰的同时至关重要。在这项工作中，我们提出并测试了实验中的实时非线性模型预测控制（NMPC），用于腿部机器人，以实现各种地形上的动态运动。我们引入了一种基于移动性的标准来定义NMPC成本，增强了二次机器人的运动，同时最大化腿部移动性并提高对地形特征的适应。我们的NMPC基于实时迭代方案，使我们能够以25美元的价格重新计划在线，\ Mathrm {Hz} $ 2 $ 2 $ 2美元的预测地平线。我们使用在质量框架中心中定义的单个刚体动态模型，以提高计算效率。在仿真中，测试NMPC以横穿一组不同尺寸的托盘，走进V形烟囱，并在崎岖的地形上招揽。在真实实验中，我们展示了我们的NMPC与移动功能的有效性，使IIT为87美元\，\ Mathrm {kg} $四分之一的机器人HIQ，以实现平坦地形上的全方位步行，横穿静态托盘，并适应在散步期间重新定位托盘。