目前使用的无线胶囊内窥镜检查（WCE）是在检查时间和柔韧性方面有限的，因为胶囊被蠕动被动地移动，并且不能精确定位。已经提出了基于同时磁力驱动和定位技术的WCE的有效运动来促进不同的方法。在这项工作中，我们研究了在管状环境中旋转磁性致动下的机器人胶囊问题的轨迹，以实现使用无线胶囊内窥镜在给定点对肠道的安全，高效准确地检查肠道。具体而言，基于PD控制器，自适应控制器，模型预测控制器和鲁棒的多级模型预测控制器，开发了四种轨迹之后的策略。此外，我们的方法通过在控制器设计期间模拟肠蠕动和摩擦来考虑肠环境中的不确定性。我们验证了我们在仿真中的方法以及在各种管状环境中的实际实验中，包括具有不同形状和前体内猪结肠的塑料幽灵。结果表明，我们的方法可以有效地致动往复旋转的胶囊，以遵循复杂的管状环境中的所需轨迹，从而具有能够对高质量诊断进行准确和可重复检查的肠道。

近年来，对主动无线胶囊内窥镜（WCE）的同时磁力驱动和定位（SMAL）进行了集中研究，以提高检查的效率和准确性。在本文中，我们提出了一种用于主动WCE的自主磁导航框架，其模仿常规结肠镜检查的专家医师的“插入”和“提取”程序，从而使机器人胶囊内窥镜在肠道中有效和准确地进行了最小的用户努力。首先，胶囊通过未知的肠道环境自动推进，并产生一种代表环境的可行路径。然后，胶囊被自主地驶向肠道轨迹上选择的任何点，以便准确和反复检查可疑病变。此外，我们在加入高级Smal算法的机器人系统上实现了导航框架，并在使用幽灵和前体内猪结肠中验证各种管状环境的导航中。我们的结果表明，拟议的自主导航框架可以有效地在未知，复杂的管状环境中导航胶囊，其与手动操作相比具有令人满意的精度，重复性和效率。

Marine waves significantly disturb the unmanned surface vehicle (USV) motion. An unmanned aerial vehicle (UAV) can hardly land on a USV that undergoes irregular motion. An oversized landing platform is usually necessary to guarantee the landing safety, which limits the number of UAVs that can be carried. We propose a landing system assisted by tether and robot manipulation. The system can land multiple UAVs without increasing the USV's size. An MPC controller stabilizes the end-effector and tracks the UAVs, and an adaptive estimator addresses the disturbance caused by the base motion. The working strategy of the system is designed to plan the motion of each device. We have validated the manipulator controller through simulations and well-controlled indoor experiments. During the field tests, the proposed system caught and placed the UAVs when the disturbed USV roll range was approximately 12 degrees.

Accurate path following is challenging for autonomous robots operating in uncertain environments. Adaptive and predictive control strategies are crucial for a nonlinear robotic system to achieve high-performance path following control. In this paper, we propose a novel learning-based predictive control scheme that couples a high-level model predictive path following controller (MPFC) with a low-level learning-based feedback linearization controller (LB-FBLC) for nonlinear systems under uncertain disturbances. The low-level LB-FBLC utilizes Gaussian Processes to learn the uncertain environmental disturbances online and tracks the reference state accurately with a probabilistic stability guarantee. Meanwhile, the high-level MPFC exploits the linearized system model augmented with a virtual linear path dynamics model to optimize the evolution of path reference targets, and provides the reference states and controls for the low-level LB-FBLC. Simulation results illustrate the effectiveness of the proposed control strategy on a quadrotor path following task under unknown wind disturbances.

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.

外部磁场可用于远程控制小尺寸的机器人，使其具有多样化的生物医学和工程应用的候选人。我们表明，我们的磁动毫罗罗布特是高度敏捷的，并且可以执行各种机车任务，例如枢轴行走和在水平面翻滚。在这里，我们专注于控制枢轴行走模式中该毫无米罗罗布特的运动效果。开发了系统的数学模型，派生了运动模型。还研究了机器人运动中扫描和倾斜角度的作用。我们提出了两个控制器来调节枢轴步行者的步态。第一个是比例几何控制器，它决定了Millobot应该使用的正确枢轴点。然后，它基于毫无槌和参考轨迹的中心之间的误差按比例地调节角速度。第二控制器基于梯度下降优化技术，其表示控制动作作为优化问题。这些控制算法使得MilliRobot能够在跟踪所需的轨迹时产生稳定的步态。我们进行一组不同的实验和模拟运行，以确定所提出的控制器在跟踪误差方面的不同扫描和倾斜角度的有效性。这两个控制器表现出适当的性能，但观察到基于梯度下降基于的控制器产生更快的收敛时间，更小的跟踪误差和更少的步数。最后，我们对扫描角度，倾斜角度和步进时间对跟踪误差的影响进行了广泛的实验参数分析。正如我们所预期的那样，基于优化的控制器优于基于几何的控制器。

在许多无人机应用中，为空中机器人计划的时间轨迹至关重要，例如救援任务和包装交付，这些应用程序近年来已经广泛研究。但是，它仍然涉及一些挑战，尤其是在将特殊任务要求纳入计划以及空中机器人的动态方面。在这项工作中，我们研究了一种案例，使空中操纵器应以时间优势的方式从移动的移动机器人中移交一个包裹。我们没有手动设置方法轨迹，这使得很难确定在动态范围内完成所需任务的最佳总行进时间，而是提出了一个优化框架，该框架将离散的力学和互补性约束（DMCC）结合在一起。在提出的框架中，系统动力学受到离散的拉格朗日力学的约束，该机械也根据我们的实验提供了可靠的估计结果。移交机会是根据所需的互补限制自动确定和安排的。最后，通过使用我们的自设计的空中操纵器进行数值模拟和硬件实验来验证所提出的框架的性能。

模型预测控制（MPC）方案已经证明了它们在控制高自由度（DOF）复杂机器人系统方面的效率。但是，它们的计算成本很高，更新速度约为数十万。这种相对较慢的更新速率阻碍了这种系统稳定的触觉远程操作的可能性，因为缓慢的反馈回路可能会导致对操作员的不稳定性和透明度的丧失。这项工作为MPC控制的复杂机器人系统的透明远程操作提供了一个新颖的框架。特别是，我们采用反馈MPC方法并利用其结构来以快速速率计算运营商输入，该快速速率与MPC循环本身的更新率无关。我们在移动操纵器平台上演示了我们的框架，并表明它可以显着提高触觉远程操作的透明度和稳定性。我们还强调，所提出的反馈结构是令人满意的，并且不违反最佳控制问题中定义的任何约束。据我们所知，这项工作是使用全身MPC框架的双边操纵器的双边远程操作的首次实现。

机器人布操作是自动机器人系统的相关挑战性问题。高度可变形的对象，因为纺织品在操纵过程中可以采用多种配置和形状。因此，机器人不仅应该了解当前的布料配置，还应能够预测布的未来行为。本文通过使用模型预测控制（MPC）策略在对象的其他部分应用动作，从而解决了间接控制纺织对象某些点的配置的问题，该策略还允许间接控制的行为点。设计的控制器找到了最佳控制信号，以实现所需的未来目标配置。本文中的探索场景考虑了通过抓住其上角，以平方布的下角跟踪参考轨迹。为此，我们提出并验证线性布模型，该模型允许实时解决与MPC相关的优化问题。增强学习（RL）技术用于学习所提出的布模型的最佳参数，并调整所得的MPC。在模拟中获得准确的跟踪结果后，在真实的机器人中实现并执行了完整的控制方案，即使在不利条件下也可以获得准确的跟踪。尽管总观察到的误差达到5 cm标记，但对于30x30 cm的布，分析表明，MPC对该值的贡献少于30％。

管道机器人是有前途的条件评估，泄漏检测，水质监测在管道网络中各种其他任务中的解决方案。由于对操作的高度不确定和令人不安的环境，智能导航是这些机器人的极其具有挑战性的任务。无线通信在操作期间控制这些机器人是不可行的，如果管材是金属，因为无线电信号在管道环境中被破坏，因此，这种挑战仍未解决。在本文中，我们介绍了一种基于粒子滤波和两相运动控制器的先前设计的管道机器人[1]的智能导航方法。机器人被赋予具有新方法的操作路径的地图，并且粒子过滤确定管道的直线和非直线配置。在直线路径中，机器人遵循线性二次调节器（LQR）和比例 - 积分衍生物（PID）基于基于的控制器，其稳定机器人并跟踪所需的速度。在非直接路径中，机器人遵循轨迹，该轨迹是机器人的运动轨迹发生器块的计划。该方法是用于智能导航的有希望的解决方案，无需无线通信并且能够检查水分配系统中的长距离。

在腿部机器人的机车上，执行高度敏捷的动态动作，例如跳跃或跑步的踏板乐队，这仍然是一个挑战性的问题。本文提出了一个框架，该框架结合了轨迹优化和模型预测控制，以在踏脚石上执行强大的连续跳跃。在我们的方法中，我们首先利用基于机器人的全非线性动力学的轨迹优化来生成各种跳跃距离的周期性跳跃轨迹。然后，基于模型预测控制的跳跃控制器设计用于实现平滑的跳跃过渡，从而使机器人能够在步进石上实现连续跳跃。得益于将MPC作为实时反馈控制器的合并，该提议的框架也得到了验证，可以对机器人动力学上的高度扰动和模型不确定性具有不均匀的平台。

腿部机器人在驾驶不平坦的地形方面表现出显着的优势。但是，实现四足机器人的有效运动和操纵任务仍然具有挑战性。另外，在这些问题中，机器人通常未知对象和地形参数。因此，本文提出了一个层次自适应控制框架，该框架使腿部机器人能够执行机车操作任务，而无需对物体的质量，摩擦系数或地形的斜率进行任何给定的假设。在我们的方法中，我们首先提出一种自适应操纵控制，以调节接触力，以操纵未知地形上的未知物体。然后，我们引入了一个统一的模型预测控制（MPC），以考虑机器人的操作，该控制力考虑了机器人动力学中的操纵力。因此，提出的MPC框架可以有效地调节机器人与物体之间的相互作用力，同时保持机器人平衡。我们提出的方法的实验验证成功地在Unitree A1机器人上进行了，使其可以操纵未知的时间变化负载，最高$ 7 $ $ kg $（$ 60 \％的机器人重量）。此外，我们的框架可以快速适应未知斜率（最高$ 20^\ circ $）或具有不同摩擦系数的不同表面。

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.

在本文中，我们全能地提出了一种基于混合线性倒置的方法（H唇），用于合成和稳定3D足底双模行走，重点是彻底的硬件实现。提出了H-唇缘以捕获机器人行走的欠置和致动部分的基本组成部分。然后基于H唇直接合成机器人行走步态。我们全面地表征了H唇的周期性轨道，并通过其步骤 - 步骤（S2S）动力学可证明步骤稳定，然后用于近似于质量中心的水平状态的S2S动态（COM）机器人散步。近似设施基于H唇的步进控制器，提供所需的步长，以稳定机器人行走。通过实现所需的步骤尺寸，机器人实现了动态且稳定的行走。在欠扰动的BipeDal机器人Cassie的模拟和实验中完全评估了该方法，其展示了具有高通用和鲁棒性的动态行走行为。

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.

由于机器人的脚下缺乏致动，全球地位控制是一个挑战性问题。在本文中，我们应用基于混合的倒立摆（H唇）踩踏3D废除后的双模型机器人进行全球位置控制。H-Lip行走的步骤步骤（S2S）动态近似于机器人行走的实际S2S动态，其中步长被认为是输入。因此，基于H唇的反馈控制器大致控制机器人表现得像H唇，它在误差不变集中保持的差异。模型预测控制（MPC）应用于3D中的全球位置控制的H唇。然后，H唇踩踏然后产生用于跟踪机器人的所需步进尺寸。此外，转向行为与步骤规划集成。拟议的框架在与概念验证实验中的模拟中验证了在模拟中的3D欠扰动的双模型机器人Cassie。

空中操纵的生长场通常依赖于完全致动的或全向微型航空车（OMAV），它们可以在与环境接触时施加任意力和扭矩。控制方法通常基于无模型方法，将高级扳手控制器与执行器分配分开。如有必要，在线骚扰观察员拒绝干扰。但是，虽然是一般，但这种方法通常会产生次优控制命令，并且不能纳入平台设计给出的约束。我们提出了两种基于模型的方法来控制OMAV，以实现轨迹跟踪的任务，同时拒绝干扰。第一个通过从实验数据中学到的模型来优化扳手命令并补偿模型错误。第二个功能优化了低级执行器命令，允许利用分配无空格并考虑执行器硬件给出的约束。在现实世界实验中显示和评估两种方法的疗效和实时可行性。

本作品通过基于事件触发机制，通过模型预测控制（MPC）方法为四轮腿独立电动机机械系统进行协调的运动控制和障碍问题。组织了带有动态支撑多边形的轮腿机器人控制系统的建模。系统动态模型是3点自由（DOF）忽略音高，滚动和垂直运动。考虑到电动机驱动的特性和布克哈特非线性轮胎模型的特性分析了单轮动力学。结果，提出了一种通过电动机扭矩作为输入和系统状态作为输出的过致动的预测模型。由于支持多边形仅在某些条件下调整，因此设计了一种基于事件的触发机制来节省硬件资源和能量。 MPC控制器在虚拟原型以及物理原型上进行评估。仿真结果指导物理原型中控制器实现的参数调整。这两个原型的实验结果验证了所提出的方法的效率。

This paper proposes a novel controller framework that provides trajectory tracking for an Aerial Manipulator (AM) while ensuring the safe operation of the system under unknown bounded disturbances. The AM considered here is a 2-DOF (degrees-of-freedom) manipulator rigidly attached to a UAV. Our proposed controller structure follows the conventional inner loop PID control for attitude dynamics and an outer loop controller for tracking a reference trajectory. The outer loop control is based on the Model Predictive Control (MPC) with constraints derived using the Barrier Lyapunov Function (BLF) for the safe operation of the AM. BLF-based constraints are proposed for two objectives, viz. 1) To avoid the AM from colliding with static obstacles like a rectangular wall, and 2) To maintain the end effector of the manipulator within the desired workspace. The proposed BLF ensures that the above-mentioned objectives are satisfied even in the presence of unknown bounded disturbances. The capabilities of the proposed controller are demonstrated through high-fidelity non-linear simulations with parameters derived from a real laboratory scale AM. We compare the performance of our controller with other state-of-the-art MPC controllers for AM.

能够与环境进行物理相互作用的新型航空车的最新发展导致了新的应用，例如基于接触的检查。这些任务要求机器人系统将力与部分知名的环境交换，这可能包含不确定性，包括未知的空间变化摩擦特性和表面几何形状的不连续变化。找到对这些环境不确定性的强大控制策略仍然是一个公开挑战。本文提出了一种基于学习的自适应控制策略，用于航空滑动任务。特别是，基于当前控制信号，本体感受测量和触觉感应的策略，实时调整了标准阻抗控制器的收益。在学生教师学习设置中，该策略通过简化执行器动力进行了模拟培训。使用倾斜臂全向飞行器验证了所提出方法的现实性能。所提出的控制器结构结合了数据驱动和基于模型的控制方法，使我们的方法能够直接转移并不从模拟转移到真实平台。与微调状态的相互作用控制方法相比，我们达到了减少的跟踪误差和改善的干扰排斥反应。