Cooperative load transportation by quadrotors

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dc.contributor.advisor-co1Brandão, Alexandre Santos
dc.contributor.advisor-co1IDhttps://orcid.org/0000-0001-5990-2218
dc.contributor.advisor-co1Latteshttps://lattes.cnpq.br/7313802049311709
dc.contributor.advisor-co2Castilho, Pedro
dc.contributor.advisor-co2IDhttps://orcid.org/0000-0001-8324-8762
dc.contributor.advisor-co2Lattes
dc.contributor.advisor1Sarcinelli Filho, Mário
dc.contributor.advisor1IDhttps://orcid.org/0000-0002-7696-8996
dc.contributor.advisor1Latteshttps://lattes.cnpq.br/3459331011913021
dc.contributor.authorBacheti, Vinícius Pacheco
dc.contributor.authorIDhttps://orcid.org/0000-0003-0311-732X
dc.contributor.authorLatteshttps://lattes.cnpq.br/4263495472789334
dc.contributor.referee1Lozano, Rogelio
dc.contributor.referee1IDhttps://orcid.org/0000-0002-5730-6313
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/
dc.contributor.referee2Rosales, Cláudio Dário
dc.contributor.referee2IDhttps://orcid.org/0000-0001-6033-0413
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/
dc.contributor.referee3Colombo, Leonardo
dc.contributor.referee3IDhttps://orcid.org/0000-0001-9513-3268
dc.contributor.referee3Latteshttp://lattes.cnpq.br/
dc.contributor.referee4Salles, José Leandro Félix
dc.contributor.referee4IDhttps://orcid.org/0000-0002-3417-6544
dc.contributor.referee4Latteshttps://lattes.cnpq.br/1368496315730875
dc.date.accessioned2026-03-09T20:45:06Z
dc.date.available2026-03-09T20:45:06Z
dc.date.issued2025-09-30
dc.description.abstractThis thesis presents a study on the cooperative transportation of cable-suspended payloads using quadrotors. The central contribution is the development of a control framework that closes the loop on the payload by exploiting the resultant cable tensions to achieve trajectory tracking. The work begins with a study on a single off-the-shelf drone transporting a load, marking the author’s first steps in modeling and controlling aerial systems with cable-suspended payloads. After, the first version of the tension-based control framework is proposed for a team of n quadrotors carrying a single payload. This framework supports dynamic reconfiguration, allowing both geometric adjustments of the formation and the addition or removal of agents. Simulations and experiments demonstrate the effectiveness of the approach, including during reconfiguration events. Subsequently, a novel attitude controller is introduced, replacing the one used in earlier versions of the framework. Two further iterations of the framework are then proposed. The f irst incorporates an adaptive sliding mode control law, improving resilience against unmodeled dynamics and external disturbances such as wind gusts. Extensive experimental validation shows that this adaptive robust controller not only outperforms the previous framework but also surpasses a standard PID baseline. The second iteration augments the system with a potential field–based mechanism, designed to prevent intra-formation collisions. This addition improves safety and demonstrates scalability through experiments with n = 5 agents. Results reveal that the repulsion force not only prevents collisions but also enhances the overall performance of the transportation task.
dc.description.resumoEsta tese apresenta um estudo sobre o transporte cooperativo de cargas úteis suspensas por cabos utilizando quadrimotores. A contribuição central é o desenvolvimento de um sistema que fecha a malha de controle na carga, explorando as tensões resultantes nos cabos como entradas para os quadrimotores empregados no transporte, visando fazer com que a carga rastreie uma trajetória. O trabalho começa com um estudo sobre um único drone comercial transportando uma carga, marcando os primeiros passos do autor na modelagem e no controle de sistemas aéreos com cargas suspensas por cabos. Em seguida, é proposta a primeira versão da estrutura de controle baseada na tensão nos cabos para uma equipe de n quadricópteros transportando uma única carga. Essa estrutura suporta reconfiguração dinâmica, permitindo ajustes geométricos da formação e a adição ou remoção de agentes. Simulações e experimentos demonstram a eficácia da abordagem, inclusive durante eventos de reconfiguração. Posteriormente, é introduzido um novo controlador de atitude para os quadrimotores, substi tuindo aquele utilizado nas versões anteriores da estrutura. São então propostas duas novas iterações da estrutura. A primeira incorpora uma lei de controle adaptativa de modo deslizante, melhorando a resiliência contra dinâmicas não modeladas e perturbações externas, como rajadas de vento. Uma extensa validação experimental mostra que esse controlador robusto adaptativo não apenas supera a estrutura anterior, mas também um controlador PID padrão. A segunda iteração amplia o sistema com um mecanismo baseado em campo potencial, proje tado para evitar colisões entre agentes dentro da formação. Essa adição melhora a segurança e demonstra escalabilidade por meio de experimentos com n = 5 agentes. Os resultados revelam que a força de repulsão não apenas evita colisões, mas também melhora o desempenho geral da tarefa de transporte
dc.description.sponsorshipConselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)
dc.formatText
dc.identifier.urihttp://repositorio.ufes.br/handle/10/20930
dc.languagepor
dc.language.isoen
dc.publisherUniversidade Federal do Espírito Santo
dc.publisher.countryBR
dc.publisher.courseDoutorado em Engenharia Elétrica
dc.publisher.departmentCentro Tecnológico
dc.publisher.initialsUFES
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
dc.rightsopen access
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
dc.subjectRejeição de distúrbios
dc.subjectDistúrbios por vento
dc.subjectControle não linear
dc.subjectTransporte de carga
dc.subjectVeículo aéreo não tripulado
dc.subjectSistemas multirrobôs
dc.subjectRobótica móvel
dc.subjectRobust adaptive control
dc.subjectDisturbance rejection
dc.subjectWind disturbances
dc.subjectNonlinear control
dc.subjectLoad transportation
dc.subjectMobile robotics
dc.subjectMulti-robot systems
dc.subjectUnmanned aerial vehicle
dc.subject.cnpqEngenharia Elétrica
dc.titleCooperative load transportation by quadrotors
dc.typedoctoralThesis
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