We present a dynamic path planning algorithm to navigate an amphibious rotor craft through a concave time-invariant obstacle field while attempting to minimize energy usage. We create a nonlinear quaternion state model that represents the rotor craft dynamics above and below the water. The 6 degree of freedom dynamics used within a layered architecture to generate motion paths for the vehicle to follow and the required control inputs. The rotor craft has a 3 dimensional map of its surroundings that is updated via limited range onboard sensor readings within the current medium (air or water). Path planning is done via PRM and D* Lite.

在过去的十年中，在杂交无人驾驶空中水下车辆的研究中努力，机器人可以轻松飞行和潜入水中的机械适应水平。然而，大多数文献集中在物理设计，建筑物的实际问题上，最近，低水平的控制策略。在高级情报的背景下，如运动规划和与现实世界的互动的情况下已经完成。因此，我们在本文中提出了一种轨迹规划方法，允许避免避免未知的障碍和空中媒体之间的平滑过渡。我们的方法基于经典迅速探索随机树的变体，其主要优点是处理障碍，复杂的非线性动力学，模型不确定性和外部干扰的能力。该方法使用\ Hydrone的动态模型，提出具有高水下性能的混合动力车辆，但我们认为它可以很容易地推广到其他类型的空中/水生平台。在实验部分中，我们在充满障碍物的环境中显示了模拟结果，其中机器人被命令执行不同的媒体运动，展示了我们的策略的适用性。

Autonomous Micro Aerial Vehicles are deployed for a variety tasks including surveillance and monitoring. Perching and staring allow the vehicle to monitor targets without flying, saving battery power and increasing the overall mission time without the need to frequently replace batteries. This paper addresses the Active Visual Perching (AVP) control problem to autonomously perch on inclined surfaces up to $90^\circ$. Our approach generates dynamically feasible trajectories to navigate and perch on a desired target location, while taking into account actuator and Field of View (FoV) constraints. By replanning in mid-flight, we take advantage of more accurate target localization increasing the perching maneuver's robustness to target localization or control errors. We leverage the Karush-Kuhn-Tucker (KKT) conditions to identify the compatibility between planning objectives and the visual sensing constraint during the planned maneuver. Furthermore, we experimentally identify the corresponding boundary conditions that maximizes the spatio-temporal target visibility during the perching maneuver. The proposed approach works on-board in real-time with significant computational constraints relying exclusively on cameras and an Inertial Measurement Unit (IMU). Experimental results validate the proposed approach and shows the higher success rate as well as increased target interception precision and accuracy with respect to a one-shot planning approach, while still retaining aggressive capabilities with flight envelopes that include large excursions from the hover position on inclined surfaces up to 90$^\circ$, angular speeds up to 750~deg/s, and accelerations up to 10~m/s$^2$.

本文着重于影响弹性的移动机器人的碰撞运动计划和控制的新兴范式转移，并开发了一个统一的层次结构框架，用于在未知和部分观察的杂物空间中导航。在较低级别上，我们开发了一种变形恢复控制和轨迹重新启动策略，该策略处理可能在本地运行时发生的碰撞。低级系统会积极检测碰撞（通过内部内置的移动机器人上的嵌入式霍尔效应传感器），使机器人能够从其内部恢复，并在本地调整后影响后的轨迹。然后，在高层，我们提出了一种基于搜索的计划算法，以确定如何最好地利用潜在的碰撞来改善某些指标，例如控制能量和计算时间。我们的方法建立在A*带有跳跃点的基础上。我们生成了一种新颖的启发式功能，并进行了碰撞检查和调整技术，从而使A*算法通过利用和利用可能的碰撞来更快地收敛到达目标。通过将全局A*算法和局部变形恢复和重新融合策略以及该框架的各个组件相结合而生成的整体分层框架在模拟和实验中都经过了广泛的测试。一项消融研究借鉴了与基于搜索的最先进的避免碰撞计划者（用于整体框架）的链接，以及基于搜索的避免碰撞和基于采样的碰撞 - 碰撞 - 全球规划师（对于更高的较高的碰撞 - 等级）。结果证明了我们的方法在未知环境中具有碰撞的运动计划和控制的功效，在2D中运行的一类撞击弹性机器人具有孤立的障碍物。

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。

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.

研究界，工业和社会中地面移动机器人（MRS）和无人机（UAV）的重要性正在迅速发展。如今，这些代理中的许多代理都配备了通信系统，在某些情况下，对于成功完成某些任务至关重要。在这种情况下，我们已经开始见证在机器人技术和通信的交集中开发一个新的跨学科研究领域。该研究领域的意图是将无人机集成到5G和6G通信网络中。这项研究无疑将在不久的将来导致许多重要的应用。然而，该研究领域发展的主要障碍之一是，大多数研究人员通过过度简化机器人技术或通信方面来解决这些问题。这阻碍了达到这个新的跨学科研究领域的全部潜力的能力。在本教程中，我们介绍了一些建模工具，从跨学科的角度来解决涉及机器人技术和通信的问题所需的一些建模工具。作为此类问题的说明性示例，我们将重点放在本教程上，讨论通信感知轨迹计划的问题。

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.

陆地 - 空中双模车辆在学术界和工业中绽放，因为它们融入了空中车辆的高流动性和地面车辆的长期耐力。在这项工作中，我们提出了一种自主和自适应的导航框架，为这类车辆带来完全自主权。该框架主要包括1）分层运动规划器，在未知环境中产生安全和低功率的地面 - 鸟轨迹，2）统一运动控制器，其动态地调整陆地运动中的能量消耗。广泛的现实实验和基准比较是在定制的机器人平台上进行的，以验证所提出的框架的稳健性和性能。在测试期间，机器人安全地穿越了陆地集成流动性的复杂环境，并在地面运动中实现了7美元的节能。最后，我们将为社区的引用发出我们的代码和硬件配置。

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 paper introduces a structure-deformable land-air robot which possesses both excellent ground driving and flying ability, with smooth switching mechanism between two modes. The elaborate coupled dynamics model of the proposed robot is established, including rotors, chassis, especially the deformable structures. Furthermore, taking fusion locomotion and complex near-ground situations into consideration, a model based controller is designed for landing and mode switching under various harsh conditions, in which we realise the cooperation between fused two motion modes. The entire system is implemented in ADAMS/Simulink simulation and in practical. We conduct experiments under various complex scenarios. The results show our robot can accomplish land-air switching swiftly and smoothly, and the designed controller can effectively improve the landing flexibility and reliability.

如果我们给机器人将对象从其当前位置移至未知环境中的另一个位置的任务，则机器人必须探索地图，确定所有类型的障碍物，然后确定完成任务的最佳途径。我们提出了一个数学模型，以找到一个最佳的路径计划，以避免与所有静态和移动障碍物发生冲突，并具有最小的完成时间和最小距离。在此模型中，不考虑障碍物和机器人周围的边界框，因此机器人可以在不与它们相撞的情况下非常接近障碍物移动。我们考虑了两种类型的障碍：确定性，其中包括所有静态障碍，例如不移动的墙壁以及所有动作具有固定模式和非确定性的移动障碍，其中包括所有障碍物，其运动都可以在任何方向上发生任何方向发生概率分布随时。我们还考虑了机器人的加速和减速，以改善避免碰撞的速度。

以前已经评估过使用轮毂，无人驾驶飞机，立方体，小萨特人等进行空中和地面操纵，感知和侦察的可行性。在所有这些解决方案中，基于气球的系统具有使其极具吸引力的优点，例如，简单的操作机构和持久的操作时间。但是，在基于气球的应用中，有许多障碍要克服，以实现强大的游荡性能。我们试图确定设计和控制挑战，并提出一个新型的机器人平台，该平台允许在火星陨石坑的侦察和感知中应用气球。这项工作简要涵盖了我们建议的驱动和模型预测控制设计框架，用于转向此类气球系统。我们提出了多个无人接地车辆（UGV）的协调伺服，以调节电缆驱动的气球中的张力，并将其连接到未成熟的悬挂有效载荷上。

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.

本文提出了一种用于特技飞行轨迹生成的新型算法，用于垂直起飞和降落（VTOL）TAILSITTER飞行飞机。该算法与固定翼轨迹生成的现有方法不同，因为它考虑了现实的六度自由度（6DOF）飞行动力学模型，包括空气动力学方程。使用全球动力学模型，能够生成特技轨迹，从而利用整个飞行信封，从而使敏捷的操纵通过摊位策略，侧向飞行，倒置飞行等。是在这项工作中得出的。通过在差异平坦的输出空间中执行快速最小化，可以获得适合在线运动计划的计算高效算法。该算法在包括六架特技飞行器的大型飞行实验中证明了这一算法，一个时间优势的无人机赛车轨迹以及三架尾灯飞机的飞机样有机赛序列。

该论文提出了两种控制方法，用于用微型四轮驱动器进行反弹式操纵。首先，对专门为反转设计设计的现有前馈控制策略进行了修订和改进。使用替代高斯工艺模型的贝叶斯优化通过在模拟环境中反复执行翻转操作来找到最佳运动原语序列。第二种方法基于闭环控制，它由两个主要步骤组成：首先，即使在模型不确定性的情况下，自适应控制器也旨在提供可靠的参考跟踪。控制器是通过通过测量数据调整的高斯过程来增强无人机的标称模型来构建的。其次，提出了一种有效的轨迹计划算法，该算法仅使用二次编程来设计可行的轨迹为反弹操作设计。在模拟和使用BitCraze Crazyflie 2.1四肢旋转器中对两种方法进行了分析。

室内运动计划的重点是解决通过混乱环境导航代理的问题。迄今为止，在该领域已经完成了很多工作，但是这些方法通常无法找到计算廉价的在线路径计划和路径最佳之间的最佳平衡。除此之外，这些作品通常证明是单一启动单目标世界的最佳性。为了应对这些挑战，我们为在未知室内环境中进行导航的多个路径路径计划者和控制器堆栈，在该环境中，路点将目标与机器人必须在达到目标之前必须穿越的中介点一起。我们的方法利用全球规划师（在任何瞬间找到下一个最佳航路点），本地规划师（计划通往特定航路点的路径）以及自适应模型预测性控制策略（用于强大的系统控制和更快的操作） 。我们在一组随机生成的障碍图，中间航路点和起始目标对上评估了算法，结果表明计算成本显着降低，具有高度准确性和可靠的控制。

开发了一个领导者追随者系统，用于合作运输。据我们所知，这是一个不需要互联通信的第一工作，并且可以实时修改有效载荷的参考轨迹，以便它可以应用于动态变化的环境。为了在无通信条件下实时跟踪修改的参考轨迹，引导跟随系统被认为是非文展系统，其中开发了控制器以实现有效载荷的渐近跟踪。为了消除安装力传感器的需要，开发了UKFS（Unscented Kalman滤波器）以估计领导者和追随者所施加的力量。进行稳定性分析以证明闭环系统的跟踪误差。仿真结果表明跟踪控制器的良好性能。实验表明，领导者的控制器和追随者可以在现实世界中工作，但是跟踪误差受到限制空间中气流的干扰的影响。

本文研究了一个四轮摩托车在城市地区的快速安全航空有效载荷运输的问题。四轮有效载荷系统（QPS）被视为刚体，并以非线性动力学进行建模。城市区域被建模为充满障碍物的环境，并通过合并现实的激光雷达数据获得了障碍物几何形状。我们的有效载荷运输方法分解为高级运动计划和低级轨迹控制。对于低级轨迹跟踪，应用反馈线性化控制将稳定地跟踪四轮驱动器的所需轨迹。对于高级运动计划，我们集成了*搜索和多项式计划，以定义四肢避免碰撞，四极管转子速度的界限和跟踪错误的安全轨迹，并从任意初始位置快速到达目标目的地。

双向运动规划与其单向对应物相比，平均地减少计划时间。在单次查询可行的运动规划中，使用双向搜索来查找连续运动计划需要前向和反向搜索树之间的边缘连接。这样的树木连接需要解决两点边值问题问题（BVP）。然而，两点BVP解决方案可能是困难的或不可能计算许多系统。我们提出了一种新的双向搜索策略，不需要解决两点BVP。反向树的成本信息而不是直接连接前向和反向树木，而是用作前向搜索的指导启发式。这使得前向搜索能够快速收敛到可行的解决方案而不解决两点BVP。我们提出了两个新的算法（GBRRT和GABRRT），使用此策略并使用多种动态系统和现实世界硬件实验运行多个软件模拟，以表明我们的算法表现出对现有最先进的方法进行的或更好在快速找到初始可行的解决方案时。