空中連続マニピュレータにおける空力外乱下のエンドエフェクタ位置推定のための時間学習
Temporal Learning for End-Effector Position Estimation under Aerodynamic Disturbances in Aerial Continuum Manipulation
ドローンに搭載した連続マニピュレータのエンドエフェクタ位置を、空力外乱の影響下で推定するため、連続時間ニューラルネットワーク(CfC)を用いて残差を学習し、MLPやGRUより高精度に推定できることを示した。
著者: Niloufar Amiri, Houman Masnavi, Farrokh Janabi-Sharifi
分類: cs.RO, cs.AI, cs.LG
原文アブストラクト
This paper investigates temporal neural networks for \mbox{end-effector} position \mbox{estimation} of an aerial continuum manipulator (ACM) operating under aerodynamic effects induced by the unmanned aerial vehicle (UAV). An experimental dataset is collected under stationary (\mbox{rotor-off}) and \mbox{free-hovering} conditions across continuum robot (CR) configurations and UAV altitudes, providing \mbox{end-effector} position measurements with and without aerodynamic residuals. To establish a nominal framework, \mbox{strain-parameterized} kinematic models with progressively richer strain bases are evaluated to balance model complexity and prediction accuracy. The selected nominal model then serves as the baseline for 3D position residual estimation using a \mbox{closed-form} \mbox{continuous-time} (CfC) neural network, with a multilayer perceptron (MLP) and a gated recurrent unit (GRU) used for comparison. On unseen test experiments, the CfC achieves an RMSE of \(22.00\pm1.70~\mathrm{mm}\) over five random seeds, compared with \(36.38\pm3.58~\mathrm{mm}\) for the MLP and \(27.72\pm2.92~\mathrm{mm}\) for the GRU, corresponding to reductions of \(39.52\%\) and \(20.62\%\), respectively. These results demonstrate the effectiveness of \mbox{continuous-time} learning for \mbox{end-effector} position estimation under aerodynamic disturbances relative to static and \mbox{discrete-time} learning methods.
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