Analysis and optimization for a hexapod walking robot for planetary missions

La tecnología de las máquinas móviles autónomas ha sido objeto de una gran investigación y desarrollo en las últimas décadas. En muchas actividades y entornos, los robots pueden realizar operaciones que son duras, peligrosas o simplemente imposibles para los humanos. La exploración planetaria es un buen ejemplo de un entorno donde los robots son necesarios para realizar las tareas requeridas por los científicos. La reciente exploración de Marte con robots autónomos nos ha mostrado la capacidad de las nuevas tecnologías. Desde la invención de la rueda, que esta acertadamente considerado como el mayor invento en la historia del transporte humano, casi todos los vehículos para exploración planetaria han empleado las ruedas para su desplazamiento. Las nuevas misiones planetarias demandan maquinas cada vez mas complejas. En esta Tesis se propone un nuevo diseño de un robot con patas o maquina andante que ofrecerá claras ventajas en entornos extremos. Se demostrara que puede desplazarse en los terrenos donde los robots con ruedas son ineficientes, convirtiéndolo en una elección perfecta para misiones planetarias. Se presenta una reseña histórica de los principales misiones espaciales, en particular aquellos dirigidos a la exploración planetaria. A través de este estudio será posible analizar las desventajas de los robots con ruedas utilizados en misiones anteriores. El diseño propuesto de robot con patas será presentado como una alternativa para aquellas misiones donde los robots con ruedas puedan no ser la mejor opción. En esta tesis se presenta el diseño mecánico de un robot de seis patas capaz de soportar las grandes fuerzas y momentos derivadas del movimiento de avance. Una vez concluido el diseño mecánico es necesario realizar un análisis que permita entender el movimiento y comportamiento de una maquina de esta complejidad. Las ecuaciones de movimiento del robot serán validadas por dos métodos: cinemático y dinámico. Dos códigos Matlab® han sido desarrollados para resolver dichos sistemas de ecuaciones y han sido verificados por un tercer método, un modelo de elementos finitos, que también verifica el diseño mecánico. El robot con patas presentado, ha sido diseñado para la exploración planetaria en Marte. El comportamiento del robot durante sus desplazamientos será probado mediante un código de Matlab®, desarrollado para esta tesis, que permite modificar las trayectorias, el tipo de terreno, y el número y altura de los obstáculos. Estos terrenos y requisitos iniciales no han sido elegidos de forma aleatoria, si no que están basados en mi experiencia como miembro del equipo de MSL-NASA que opera un instrumento a bordo del rover Curiosity en Marte. El robot con patas desarrollado y fabricado por el Centro de Astrobiología (INTA-CSIC), esta basado en el diseño mecánico y análisis presentados en esta tesis. ABSTRACT The autonomous machines technology has undergone a major research and development during the last decades. In many activities and environments, robots can perform operations that are tought, dangerous or simply imposible to humans. Planetary exploration is a good example of such environment where robots are needed to perform the tasks required by the scientits. Recent Mars exploration based on autonomous vehicles has shown us the capacity of the new technologies. From the invention of the wheel, which is rightly regarded as the greatest invention in the history of human transportation, nearly all-planetary vehicles are based in wheeled locomotion, but new missions demand new types of machines due to the complex tasks needed to be performed. It will be proposed in this thesis a new design of a legged robot or walking machine, which may offer clear advantages in tough environments. This Thesis will show that the proposed walking machine can travel, were terrain difficulties make wheeled vehicles ineffective, making it a perfect choice for planetary mission. A historical background of the main space missions, in particular those aimed at planetary exploration will be presented. From this study the disadvantages found in the existing wheel rovers will be analysed. The legged robot designed will be introduced as an alternative were wheeled rovers could be no longer the best option for planetary exploration. This thesis introduces the mechanical design of a six-leg robot capable of withstanding high forces and moments due to the walking motion. Once the mechanical design is concluded, and in order to analyse a machine of this complexity an understanding of its movement and behaviour is mandatory. This movement equation will be validated by two methods: kinematics and dynamics. Two Matlab® codes have been developed to solve the systems of equations and validated by a third method, a finite element model, which also verifies the mechanical design. The legged robot presented has been designed for a Mars planetary exploration. The movement behaviour of the robot will be tested in a Matlab® code developed that allows to modify the trajectories, the type of terrain, number and height of obstacles. These terrains and initial requirements have not been chosen randomly, those are based on my experience as a member of the MSL NASA team, which operates an instrument on-board of the Curiosity rover in Mars. The walking robot developed and manufactured by the Center of Astrobiology (CAB) is based in the mechanical design and analysis that will be presented in this thesis.

Discriminant analysis of the specialty of elite cyclist

The different demands of competition coupled with the morphological and physiological characteristics of cyclists have led to the appearance of cycling specialities. The aims of this study were to determine the differences in the anthropometric and physiological features in road cyclists with different specialities, and to develop a multivariate model to classify these specialities and predict which speciality may be appropriate to a given cyclist. Twenty male, elite amateur cyclists were classified by their trainers as either flat terrain riders, hill climbers, or all-terrain riders. Anthropometric and cardiorespiratory studies were then undertaken. The results were analysed by MANOVA and two discriminant tests. Most differences between the speciality groups were of an anthropometric nature. The only cardiorespiratory variable that differed significantly (p < 0.05) was maximum oxygen consumption with respect to body weight (VO2max/kg). The first discriminant test classified 100% of the cyclists within their true speciality; the second, which took into account only anthropometric variables, correctly classified 75%. The first discriminant model allows the likely speciality of still non-elite cyclists to be predicted from a small number of variables, and may therefore help in their specific training.

Autonomous vehicle control systems for safe crossroads

This article presents a cooperative manoeuvre among three dual mode cars – vehicles equipped with sensors and actuators, and that can be driven either manually or autonomously. One vehicle is driven autonomously and the other two are driven manually. The main objective is to test two decision algorithms for priority conflict resolution at intersections so that a vehicle autonomously driven can take their own decision about crossing an intersection mingling with manually driven cars without the need for infrastructure modifications. To do this, the system needs the position, speeds, and turning intentions of the rest of the cars involved in the manoeuvre. This information is acquired via communications, but other methods are also viable, such as artificial vision. The idea of the experiments was to adjust the speed of the manually driven vehicles to force a situation where all three vehicles arrive at an intersection at the same time.

Combining series elastic actuation and magneto-rheological damping for the control of agile locomotion

All-terrain robot locomotion is an active topic of research. Search and rescue maneuvers and exploratory missions could benefit from robots with the abilities of real animals. However, technological barriers exist to ultimately achieving the actuation system, which is able to meet the exigent requirements of these robots. This paper describes the locomotioncontrol of a leg prototype, designed and developed to make a quadruped walk dynamically while exhibiting compliant interaction with the environment. The actuation system of the leg is based on the hybrid use of series elasticity and magneto-rheological dampers, which provide variable compliance for natural-looking motion and improved interaction with the ground. The locomotioncontrol architecture has been proposed to exploit natural leg dynamics in order to improve energy efficiency. Results show that the controller achieves a significant reduction in energy consumption during the leg swing phase thanks to the exploitation of inherent leg dynamics. Added to this, experiments with the real leg prototype show that the combined use of series elasticity and magneto-rheologicaldamping at the knee provide a 20 % reduction in the energy wasted in braking the knee during its extension in the leg stance phase.

Improving Speech Interaction in Vehicles Using Context-Aware Information through A SCXML Framework

Speech Technologies can provide important benefits for the development of more usable and safe in-vehicle human-machine interactive systems (HMIs). However mainly due robustness issues, the use of spoken interaction can entail important distractions to the driver. In this challenging scenario, while speech technologies are evolving, further research is necessary to explore how they can be complemented with both other modalities (multimodality) and information from the increasing number of available sensors (context-awareness). The perceived quality of speech technologies can significantly be increased by implementing such policies, which simply try to make the best use of all the available resources; and the in vehicle scenario is an excellent test-bed for this kind of initiatives. In this contribution we propose an event-based HMI design framework which combines context modelling and multimodal interaction using a W3C XML language known as SCXML. SCXML provides a general process control mechanism that is being considered by W3C to improve both voice interaction (VoiceXML) and multimodal interaction (MMI). In our approach we try to anticipate and extend these initiatives presenting a flexible SCXML-based approach for the design of a wide range of multimodal context-aware HMI in-vehicle interfaces. The proposed framework for HMI design and specification has been implemented in an automotive OSGi service platform, and it is being used and tested in the Spanish research project MARTA for the development of several in-vehicle interactive applications.

Soft-computing based visual control for unmanned vehicles

El objetivo principal de esta Tesis es extender la utilización del “Soft- Computing” para el control de vehículos sin piloto utilizando visión. Este trabajo va más allá de los típicos sistemas de control utilizados en entornos altamente controlados, demonstrando la fuerza y versatilidad de la lógica difusa (Fuzzy Logic) para controlar vehículos aéreos y terrestres en un abanico de applicaciones diferentes. Para esta Tesis se ha realizado un gran número de pruebas reales en las cuales los controladores difusos han manejado una plataforma visual “pan-and-tilt”, un helicoptero, un coche comercial y hasta dos tipos de quadrirotores. El uso del método de optimización “Cross-Entropy” ha sido utilizado para mejorar el comportamiento de algunos de los controladores borrosos. Todos los controladores difusos presentados en ésta Tesis han sido implementados utilizando un código desarrollado por el candidato para tal efecto, llamado MOFS (Miguel Olivares’ Fuzzy Software). Diferentes algoritmos visuales han sido utilizados para adquirir la informaci´on visual del entorno, “Cmashift”, descomposición de la homografía y detección de marcas de realidad aumentada, entre otros. Dicha información visual ha sido utilizada como entrada de los controladores difusos para comandar los vehículos en las diferentes applicaciones autonomas. El volante de un vehículo comercial ha sido controlado para realizar pruebas de conducción autónoma en condiciones de tráfico similares a las de una ciudad. El sistema ha llegado a completar con éxito pruebas de más de 6 km sin ninguna interacción humana, mediante el seguimiento de una línea pintada en el suelo. El limitado campo visual del sistema no ha sido impedimento para alcanzar velocidades de hasta 48 km/h y ser guiado autonomamente en curvas de radio reducido. Objetos estáticos y móviles han sido seguidos desde un helicoptero no tripulado, mediante el control de una plataforma visual “pan-and-tilt”. ´Éste mismo helicoptero ha sido controlado completamente para su aterrizaje autonomo, mediante el control del movimiento lateral (roll), horizontal (pitch) y de altitud. El seguimiento de objetos volantes ha sido resulto mediante el control horizontal (pitch) y de orientación (heading) de un quadrirotor. Para tareas de evitación de obstáculos se ha implementado un controlador difuso para el manejo de la orientación (heading) de un quadrirotor. En el campo de la optimización de controladores se ha aportado al estado del arte una extensión del uso del método “Cross-Entropy”. Está Tesis presenta una novedosa implementación de dicho método para la optimización de las ganancias, la posición y medida de los conjuntos de las funciones de pertenecia y el peso de las reglas para mejorar el comportamiento de un controlador difuso. Dichos procesos de optimización se han realizado utilizando “ROS” y “Matlab Simulink” para obtener mejores resultados para la evitación de colisiones con vehículos aéreos no tripulados. Ésta Tesis demuestra que los controladores implementados con lógica difusa son altamente capaces de controlador sistemas sin tener en cuenta el modelo del vehículo a controlador en entornos altamente perturbables con un sensor de bajo coste como es una cámara. El ruido presentes causado por los cambios de iluminación en la adquisición de imágenes y la alta incertidumbre en la detección visual han sido manejados satisfactoriamente por ésta técnica de de “Soft-Computing” para distintas aplicaciones tanto con vehículos aéreos como terrestres.

Visual Tracking, Pose Estimation, and Control for Aerial Vehicles

El principal objetivo de esta tesis es dotar a los vehículos aéreos no tripulados (UAVs, por sus siglas en inglés) de una fuente de información adicional basada en visión. Esta fuente de información proviene de cámaras ubicadas a bordo de los vehículos o en el suelo. Con ella se busca que los UAVs realicen tareas de aterrizaje o inspección guiados por visión, especialmente en aquellas situaciones en las que no haya disponibilidad de estimar la posición del vehículo con base en GPS, cuando las estimaciones de GPS no tengan la suficiente precisión requerida por las tareas a realizar, o cuando restricciones de carga de pago impidan añadir sensores a bordo de los vehículos. Esta tesis trata con tres de las principales áreas de la visión por computador: seguimiento visual y estimación visual de la pose (posición y orientación), que a su vez constituyen la base de la tercera, denominada control servo visual, que en nuestra aplicación se enfoca en el empleo de información visual para controlar los UAVs. Al respecto, esta tesis se ocupa de presentar propuestas novedosas que permitan solucionar problemas relativos al seguimiento de objetos mediante cámaras ubicadas a bordo de los UAVs, se ocupa de la estimación de la pose de los UAVs basada en información visual obtenida por cámaras ubicadas en el suelo o a bordo, y también se ocupa de la aplicación de las técnicas propuestas para solucionar diferentes problemas, como aquellos concernientes al seguimiento visual para tareas de reabastecimiento autónomo en vuelo o al aterrizaje basado en visión, entre otros. Las diversas técnicas de visión por computador presentadas en esta tesis se proponen con el fin de solucionar dificultades que suelen presentarse cuando se realizan tareas basadas en visión con UAVs, como las relativas a la obtención, en tiempo real, de estimaciones robustas, o como problemas generados por vibraciones. Los algoritmos propuestos en esta tesis han sido probados con información de imágenes reales obtenidas realizando pruebas on-line y off-line. Diversos mecanismos de evaluación han sido empleados con el propósito de analizar el desempeño de los algoritmos propuestos, entre los que se incluyen datos simulados, imágenes de vuelos reales, estimaciones precisas de posición empleando el sistema VICON y comparaciones con algoritmos del estado del arte. Los resultados obtenidos indican que los algoritmos de visión por computador propuestos tienen un desempeño que es comparable e incluso mejor al de algoritmos que se encuentran en el estado del arte. Los algoritmos propuestos permiten la obtención de estimaciones robustas en tiempo real, lo cual permite su uso en tareas de control visual. El desempeño de estos algoritmos es apropiado para las exigencias de las distintas aplicaciones examinadas: reabastecimiento autónomo en vuelo, aterrizaje y estimación del estado del UAV. Abstract The main objective of this thesis is to provide Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) with an additional vision-based source of information extracted by cameras located either on-board or on the ground, in order to allow UAVs to develop visually guided tasks, such as landing or inspection, especially in situations where GPS information is not available, where GPS-based position estimation is not accurate enough for the task to develop, or where payload restrictions do not allow the incorporation of additional sensors on-board. This thesis covers three of the main computer vision areas: visual tracking and visual pose estimation, which are the bases the third one called visual servoing, which, in this work, focuses on using visual information to control UAVs. In this sense, the thesis focuses on presenting novel solutions for solving the tracking problem of objects when using cameras on-board UAVs, on estimating the pose of the UAVs based on the visual information collected by cameras located either on the ground or on-board, and also focuses on applying these proposed techniques for solving different problems, such as visual tracking for aerial refuelling or vision-based landing, among others. The different computer vision techniques presented in this thesis are proposed to solve some of the frequently problems found when addressing vision-based tasks in UAVs, such as obtaining robust vision-based estimations at real-time frame rates, and problems caused by vibrations, or 3D motion. All the proposed algorithms have been tested with real-image data in on-line and off-line tests. Different evaluation mechanisms have been used to analyze the performance of the proposed algorithms, such as simulated data, images from real-flight tests, publicly available datasets, manually generated ground truth data, accurate position estimations using a VICON system and a robotic cell, and comparison with state of the art algorithms. Results show that the proposed computer vision algorithms obtain performances that are comparable to, or even better than, state of the art algorithms, obtaining robust estimations at real-time frame rates. This proves that the proposed techniques are fast enough for vision-based control tasks. Therefore, the performance of the proposed vision algorithms has shown to be of a standard appropriate to the different explored applications: aerial refuelling and landing, and state estimation. It is noteworthy that they have low computational overheads for vision systems.

Dynamic Response Optimization of Vehicles through Efficient Multibody Formulations and Automatic Differentiation Techniques

El diseño y desarrollo de sistemas de suspensión para vehículos se basa cada día más en el diseño por ordenador y en herramientas de análisis por ordenador, las cuales permiten anticipar problemas y resolverlos por adelantado. El comportamiento y las características dinámicas se calculan con precisión, bajo coste, y recursos y tiempos de cálculo reducidos. Sin embargo, existe una componente iterativa en el proceso, que requiere la definición manual de diseños a través de técnicas “prueba y error”. Esta Tesis da un paso hacia el desarrollo de un entorno de simulación eficiente capaz de simular, analizar y evaluar diseños de suspensiones vehiculares, y de mejorarlos hacia la solución optima mediante la modificación de los parámetros de diseño. La modelización mediante sistemas multicuerpo se utiliza aquí para desarrollar un modelo de autocar con 18 grados de libertad, de manera detallada y eficiente. La geometría y demás características de la suspensión se ajustan a las del vehículo real, así como los demás parámetros del modelo. Para simular la dinámica vehicular, se utiliza una formulación multicuerpo moderna y eficiente basada en las ecuaciones de Maggi, a la que se ha incorporado un visor 3D. Así, se consigue simular maniobras vehiculares en tiempos inferiores al tiempo real. Una vez que la dinámica está disponible, los análisis de sensibilidad son cruciales para una optimización robusta y eficiente. Para ello, se presenta una técnica matemática que permite derivar las variables dinámicas dentro de la formulación, de forma algorítmica, general, con la precisión de la maquina, y razonablemente eficiente: la diferenciación automática. Este método propaga las derivadas con respecto a las variables de diseño a través del código informático y con poca intervención del usuario. En contraste con otros enfoques en la bibliografía, generalmente particulares y limitados, se realiza una comparación de librerías, se desarrolla una formulación híbrida directa-automática para el cálculo de sensibilidades, y se presentan varios ejemplos reales. Finalmente, se lleva a cabo la optimización de la respuesta dinámica del vehículo citado. Se analizan cuatro tipos distintos de optimización: identificación de parámetros, optimización de la maniobrabilidad, optimización del confort y optimización multi-objetivo, todos ellos aplicados al diseño del autocar. Además de resultados analíticos y gráficos, se incluyen algunas consideraciones acerca de la eficiencia. En resumen, se mejora el comportamiento dinámico de vehículos por medio de modelos multicuerpo y de técnicas de diferenciación automática y optimización avanzadas, posibilitando un ajuste automático, preciso y eficiente de los parámetros de diseño. ABSTRACT Each day, the design and development of vehicle suspension systems relies more on computer-aided design and computer-aided engineering tools, which allow anticipating the problems and solving them ahead of time. Dynamic behavior and characteristics are thus simulated accurately and inexpensively with moderate computational times and resources. There is, however, an iterative component in the process, which involves the manual definition of designs in a trialand-error manner. This Thesis takes a step towards the development of an efficient simulation framework capable of simulating, analyzing and evaluating vehicle suspension designs, and automatically improving them by varying the design parameters towards the optimal solution. The multibody systems approach is hereby used to model a three-dimensional 18-degrees-of-freedom coach in a comprehensive yet efficient way. The suspension geometry and characteristics resemble the ones from the real vehicle, as do the rest of vehicle parameters. In order to simulate vehicle dynamics, an efficient, state-of-the-art multibody formulation based on Maggi’s equations is employed, and a three-dimensional graphics viewer is developed. As a result, vehicle maneuvers can be simulated faster than real-time. Once the dynamics are ready, a sensitivity analysis is crucial for a robust optimization. To that end, a mathematical technique is introduced, which allows differentiating the dynamic variables within the multibody formulation in a general, algorithmic, accurate to machine precision, and reasonably efficient way: automatic differentiation. This method propagates the derivatives with respect to the design parameters throughout the computer code, with little user interaction. In contrast with other attempts in the literature, mostly not generalpurpose, a benchmarking of libraries is carried out, a hybrid direct-automatic differentiation approach for the computation of sensitivities is developed, and several real-life examples are analyzed. Finally, a design optimization process of the aforementioned vehicle is carried out. Four different types of dynamic response optimization are presented: parameter identification, handling optimization, ride comfort optimization and multi-objective optimization; all of which are applied to the design of the coach example. Together with analytical and visual proof of the results, efficiency considerations are made. In summary, the dynamic behavior of vehicles is improved by using the multibody systems approach, along with advanced differentiation and optimization techniques, enabling an automatic, accurate and efficient tuning of design parameters.

Evaluation of the utilization of electric vehicles for building energy management in hotels

Governments are working in new policies to slow down total energy consumption and greenhouse gases (GHG) emissions, promoting the deployment of electric vehicles (EVs) in all countries. In order to facilitate this deployment and help to reduce the final costs of their batteries, additional utilization of EVs when those are parked has been proposed. EVs can be used to minimize the total electricity cost of buildings (named vehicle to building applications, V2B). In this paper an economic evaluation of EVs in the Building Energy Management System is shown. The optimal storage capacity and its equivalent number of EVs are determined. This value is then used for determining the optimal charging schedule to be applied to the batteries. From this schedule, the total expected profit is derived for the case of a real hotel in Spain.