Visual Servoing for the Robotenis System: a Strategy for a 3 DOF Parallel Robot to Hit a Ping-Pong Ball

This article describes a new visual servo control and strategies that are used to carry out dynamic tasks by the Robotenis platform. This platform is basically a parallel robot that is equipped with an acquisition and processing system of visual information, its main feature is that it has a completely open architecture control, and planned in order to design, implement, test and compare control strategies and algorithms (visual and actuated joint controllers). Following sections describe a new visual control strategy specially designed to track and intercept objects in 3D space. The results are compared with a controller shown in previous woks, where the end effector of the robot keeps a constant distance from the tracked object. In this work, the controller is specially designed in order to allow changes in the tracking reference. Changes in the tracking reference can be used to grip an object that is under movement, or as in this case, hitting a hanging Ping-Pong ball. Lyapunov stability is taken into account in the controller design.

Design of a remote controlled hovercraft

Este informe trata el diseño, desarrollo y construcción de un aerodeslizador de pequeño tamaño, equipado con control remoto que permite al usuario actuar sobre la velocidad y dirección del mismo. Este proyecto podrá ser utilizado en un futuro como base para el desarrollo de aplicaciones más complejas. Un aerodeslizador es un medio de transporte cuyo chasis se eleva sobre el suelo por medio de un motor impulsor que hincha una falda colocada en la parte inferior del mismo. Además, uno o más motores se colocan en la parte trasera del vehículo para propulsarlo. El hecho de que el aerodeslizador no este en contacto directo con la tierra, hace que pueda moverse tanto por tierra como sobre el agua o hielo y que sea capaz de superar pequeños obstáculos. Por otra parte, este hecho se convierte a su vez en un problema debido a que su fuerza de rozamiento al desplazarse es muy pequeña, lo que provoca que sea muy difícil de frenar, y tienda a girar por sí mismo debido a la inercia del movimiento y a las fuerzas provocadas por las corrientes de aire debajo del chasis. Sin embargo, para este proyecto no se ha colocado una falda debajo del mismo, debido a que su diseño es bastante complicado, por lo tanto la fricción con el suelo es menor, aumentando los problemas detallados con anterioridad. El proyecto consta de dos partes, mando a distancia y aerodeslizador, que se conectan a través de antenas de radiofrecuencia (RF). El diseño y desarrollo de cada una ha sido realizado de manera separada exceptuando la parte de las comunicaciones entre ambas. El mando a distancia se divide en tres partes. La primera está compuesta por la interfaz de usuario y el circuito que genera las señales analógicas correspondientes a sus indicaciones. La interfaz de usuario la conforman tres potenciómetros: uno rotatorio y dos deslizantes. El rotatorio se utiliza para controlar la dirección de giro del aerodeslizador, mientras que cada uno de los deslizantes se emplea para controlar la fuerza del motor impulsor y del propulsor respectivamente. En los tres casos los potenciómetros se colocan en el circuito de manera que actúan como divisores de tensión controlables. La segunda parte se compone de un microcontrolador de la familia PSoC. Esta familia de microcontroladores se caracteriza por tener una gran adaptabilidad a la aplicación en la que se quieran utilizar debido a la posibilidad de elección de los periféricos, tanto analógicos como digitales, que forman parte del microcontrolador. Para el mando a distancia se configura con tres conversores A/D que se encargan de transformar las señales procedentes de los potenciómetros, tres amplificadores programables para trabajar con toda la escala de los conversores, un LCD que se utiliza para depurar el código en C con el que se programa y un módulo SPI que es la interfaz que conecta el microcontrolador con la antena. Además, se utilizan cuatro pines externos para elegir el canal de transmisión de la antena. La tercera parte es el módulo transceptor de radio frecuencia (RF) QFM-TRX1-24G, que en el mando a distancia funciona como transmisor. Éste utiliza codificación Manchester para asegurar bajas tasas de error. Como alimentación para los circuitos del mando a distancia se utilizan cuatro pilas AA de 1,5 voltios en serie. En el aerodeslizador se pueden distinguir cinco partes. La primera es el módulo de comunicaciones, que utiliza el mismo transceptor que en el mando a distancia, pero esta vez funciona como receptor y por lo tanto servirá como entrada de datos al sistema haciendo llegar las instrucciones del usuario. Este módulo se comunica con el siguiente, un microcontrolador de la familia PSoC, a través de una interfaz SPI. En este caso el microcontrolador se configura con: un modulo SPI, un LCD utilizado para depurar el código y tres módulos PWM (2 de 8 bits y uno de 16 bits) para controlar los motores y el servo del aerodeslizador. Además, se utilizan cuatro pines externos para seleccionar el canal de recepción de datos. La tercera y cuarta parte se pueden considerar conjuntamente. Ambas están compuestas por el mismo circuito electrónico basado en transistores MOSFET. A la puerta de cada uno de los transistores llega una señal PWM de 100 kilohercios que proviene del microcontrolador, que se encarga de controlar el modo de funcionamiento de los transistores, que llevan acoplado un disipador de calor para evitar que se quemen. A su vez, los transistores hacen funcionar al dos ventiladores, que actúan como motores, el impulsor y el propulsor del aerodeslizador. La quinta y última parte es un servo estándar para modelismo. El servo está controlado por una señal PWM, en la que la longitud del pulso positivo establece la posición de la cabeza del servo, girando en uno u otra dirección según las instrucciones enviadas desde el mando a distancia por el usuario. Para el aerodeslizador se han utilizado dos fuentes de alimentación diferentes: una compuesta por 4 pilas AA de 1,5 voltios en serie que alimentarán al microcontrolador y al servo, y 4 baterías de litio recargables de 3,2 voltios en serie que alimentan el circuito de los motores. La última parte del proyecto es el montaje y ensamblaje final de los dispositivos. Para el chasis del aerodeslizador se ha utilizado una cubierta rectangular de poli-estireno expandido, habitualmente encontrado en el embalaje de productos frágiles. Este material es bastante ligero y con una alta resistencia a los golpes, por lo que es ideal para el propósito del proyecto. En el chasis se han realizado dos agujeros: uno circular situado en el centro del mismo en el se introduce y se ajusta con pegamento el motor impulsor, y un agujero con la forma del servo, situado en uno del los laterales estrechos del rectángulo, en el que se acopla el mismo. El motor propulsor está adherido al cabezal giratorio del servo de manera que rota a la vez que él, haciendo girar al aerodeslizador. El resto de circuitos electrónicos y las baterías se fijan al chasis mediante cinta adhesiva y pegamento procurando en todo momento repartir el peso de manera homogénea por todo el chasis para aumentar la estabilidad del aerodeslizador. SUMMARY: In this final year project a remote controlled hovercraft was designed using mainly technology that is well known by students in the embedded systems programme. This platform could be used to develop further and more complex projects. The system was developed dividing the work into two parts: remote control and hovercraft. The hardware was of the hovercraft and the remote control was designed separately; however, the software was designed at the same time since it was needed to develop the communication system. The result of the project was a remote control hovercraft which has a user friendly interface. The system was designed based on microprocessor technologies and uses common remote control technologies. The system has been designed with technology commonly used by the students in Metropolia University so that it can be readily understood in order to develop other projects based on this platform.

The scaled-time test as an alternative to the pseudo-dynamic test

The stepped and excessively slow execution of pseudo-dynamic tests has been found to be the source of some errors arising from strain-rate effect and stress relaxation. In order to control those errors, a new continuous test method which allows the selection of a more suitable time scale factor in the response is proposed in this work. By dimensional analysis, such scaled-time response is obtained theoretically by augmenting the inertial and damping properties of the structure, for which we propose the use of hydraulic pistons which are servo-controlled to produce active mass and damping, nevertheless using an equipment which is similar to that required in a pseudo-dynamic test. The results of the successful implementation of this technique for a simple specimen are shown here.

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 & Cyclic behaviour of ballast in the long term as determined in Cedex's track box

The 6 cylinder servo-hydraulic loading system of CEDEX's track box (250 kN, 50 Hz) has been recently implemented with a new piezoelectric loading system (±20 kN, 300 Hz) allowing the incorporation of low amplitude high frequency dynamic load time histories to the high amplitude low frequency quasi-static load time histories used so far in the CEDEX's track box to assess the inelastic long term behavior of ballast under mixed traffic in conventional and high- speed lines. This presentation will discuss the results obtained in the first long-duration test performed at CEDEX's track box using simultaneously both loading systems, to simulate the pass-by of 6000 freight vehicles (1M of 225 kN axle loads) travelling at a speed of 120 km/h over a line with vertical irregularities corresponding to a medium quality lin3e level. The superstructure of the track tested at full scale consisted of E 60 rails, stiff rail pads (mayor que 450 kN/mm), B90.2 sleepers with USP 0.10 N/mm and a 0.35 m thick ballast layer of ADIF first class. A shear wave velocity of 250 m/s can be assumed for the different layers of the track sub-base. The ballast long-term settlements will be compared with those obtained in a previous long-duration quasi- static test performed in the same track, for the RIVAS [EU co-funded] project, in which no dynamic loads where considered. Also, the results provided by a high diameter cyclic triaxial cell with ballast tested in full size will be commented. Finally, the progress made at CEDEX's Geotechnical Laboratory to reproduce numerically the long term behavior of ballast will be discussed.

On the loading-rate dependence of the Al 7017-T73 fracture-initiation toughness

While static fracture toughness is a widely studied and standardised parameter, its dynamic counterpart has not been exhaustively examined. Therefore, in this research a series of quasi-static and different loading-rate dynamic tests were carried out to determine the evolution of fracture toughness with the velocity of the application of the load on aluminium 7017-T73 alloy. Three-point bending tests of pre-fatigued standard specimens (ASTM E399) at four loading-rates were carried out. The experiments were conducted by employing the subsequent apparatus ordered from lowest to highest load application velocity: a servo-hydraulic universal testing machine, a free-drop tower, a modified Split Hopkinson Pressure Bar and an explosive load testing device. In order to perform the dynamic fracture toughness tests, it was necessary to design and develop some experimental devices. The fracture-initiation toughness of the aluminium 7017-T73 alloy did not exhibit a significant variation for the studied cases. As a conclusion, the research showed that fracture-initiation toughness remained constant regardless of the velocity at which the load was applied.

BR3: a biologically inspired fish-like robot actuated by SMA-based artificial muscles

Los peces son animales, donde en la mayoría de los casos, son considerados como nadadores muy eficientes y con una alta capacidad de maniobra. En general los peces se caracterizan por su capacidad de maniobra, locomoción silencioso, giros y partidas rápidas y viajes de larga distancia. Los estudios han identificado varios tipos de locomoción que los peces usan para generar maniobras y natación constante. A bajas velocidades la mayoría de los peces utilizan sus aletas pares y / o impares para su locomoción, que ofrecen una mayor maniobrabilidad y mejor eficiencia de propulsión. A altas velocidades la locomoción implica el cuerpo y / o aleta caudal porque esto puede lograr un mayor empuje y aceleración. Estas características pueden inspirar el diseo y fabricación de una piel muy flexible, una aleta caudal mórfica y una espina dorsal no articulada con una gran capacidad de maniobra. Esta tesis presenta el desarrollo de un novedoso pez robot bio-inspirado y biomimético llamado BR3, inspirado en la capacidad de maniobra y nado constante de los peces vertebrados. Inspirado por la morfología de los peces Micropterus salmoides o también conocido como lubina negra, el robot BR3 utiliza su fundamento biológico para desarrollar modelos y métodos matemáticos precisos que permiten imitar la locomoción de los peces reales. Los peces Largemouth Bass pueden lograr un nivel increíble de maniobrabilidad y eficacia de la propulsión mediante la combinación de los movimientos ondulatorios y aletas morficas. Para imitar la locomoción de los peces reales en una contraparte artificial se necesita del análisis de tecnologías de actuación alternativos, como arreglos de fibras musculares en lugar de servo actuadores o motores DC estándar, así como un material flexible que proporciona una estructura continua sin juntas. Las aleaciones con memoria de forma (SMAs) proveen la posibilidad de construir robots livianos, que no emiten ruido, sin motores, sin juntas y sin engranajes. Asi es como un pez robot submarino se ha desarrollado y cuyos movimientos son generados mediante SMAs. Estos actuadores son los adecuados para doblar la espina dorsal continua del pez robot, que a su vez provoca un cambio en la curvatura del cuerpo. Este tipo de arreglo estructural está inspirado en los músculos rojos del pescado, que son usados principalmente durante la natación constante para la flexión de una estructura flexible pero casi incompresible como lo es la espina dorsal de pescado. Del mismo modo la aleta caudal se basa en SMAs y se modifica para llevar a cabo el trabajo necesario. La estructura flexible proporciona empuje y permite que el BR3 nade. Por otro lado la aleta caudal mórfica proporciona movimientos de balanceo y guiada. Motivado por la versatilidad del BR3 para imitar todos los modos de natación (anguilliforme, carangiforme, subcarangiforme y tunniforme) se propone un controlador de doblado y velocidad. La ley de control de doblado y velocidad incorpora la información del ángulo de curvatura y de la frecuencia para producir el modo de natación deseado y a su vez controlar la velocidad de natación. Así mismo de acuerdo con el hecho biológico de la influencia de la forma de la aleta caudal en la maniobrabilidad durante la natación constante se propone un control de actitud. Esta novedoso robot pescado es el primero de su tipo en incorporar sólo SMAs para doblar una estructura flexible continua y sin juntas y engranajes para producir empuje e imitar todos los modos de natación, así como la aleta caudal que es capaz de cambiar su forma. Este novedoso diseo mecatrónico presenta un futuro muy prometedor para el diseo de vehículos submarinos capaces de modificar su forma y nadar mas eficientemente. La nueva metodología de control propuesto en esta tesis proporcionan una forma totalmente nueva de control de robots basados en SMAs, haciéndolos energéticamente más eficientes y la incorporación de una aleta caudal mórfica permite realizar maniobras más eficientemente. En su conjunto, el proyecto BR3 consta de cinco grandes etapas de desarrollo: • Estudio y análisis biológico del nado de los peces con el propósito de definir criterios de diseño y control. • Formulación de modelos matemáticos que describan la: i) cinemática del cuerpo, ii) dinámica, iii) hidrodinámica iv) análisis de los modos de vibración y v) actuación usando SMA. Estos modelos permiten estimar la influencia de modular la aleta caudal y el doblado del cuerpo en la producción de fuerzas de empuje y fuerzas de rotación necesarias en las maniobras y optimización del consumo de energía. • Diseño y fabricación de BR3: i) estructura esquelética de la columna vertebral y el cuerpo, ii) mecanismo de actuación basado en SMAs para el cuerpo y la aleta caudal, iii) piel artificial, iv) electrónica embebida y v) fusión sensorial. Está dirigido a desarrollar la plataforma de pez robot BR3 que permite probar los métodos propuestos. • Controlador de nado: compuesto por: i) control de las SMA (modulación de la forma de la aleta caudal y regulación de la actitud) y ii) control de nado continuo (modulación de la velocidad y doblado). Está dirigido a la formulación de los métodos de control adecuados que permiten la modulación adecuada de la aleta caudal y el cuerpo del BR3. • Experimentos: está dirigido a la cuantificación de los efectos de: i) la correcta modulación de la aleta caudal en la producción de rotación y su efecto hidrodinámico durante la maniobra, ii) doblado del cuerpo para la producción de empuje y iii) efecto de la flexibilidad de la piel en la habilidad para doblarse del BR3. También tiene como objetivo demostrar y validar la hipótesis de mejora en la eficiencia de la natación y las maniobras gracias a los nuevos métodos de control presentados en esta tesis. A lo largo del desarrollo de cada una de las cinco etapas, se irán presentando los retos, problemáticas y soluciones a abordar. Los experimentos en canales de agua estarán orientados a discutir y demostrar cómo la aleta caudal y el cuerpo pueden afectar considerablemente la dinámica / hidrodinámica de natación / maniobras y cómo tomar ventaja de la modulación de curvatura que la aleta caudal mórfica y el cuerpo permiten para cambiar correctamente la geometría de la aleta caudal y del cuerpo durante la natación constante y maniobras. ABSTRACT Fishes are animals where in most cases are considered as highly manoeuvrable and effortless swimmers. In general fishes are characterized for his manoeuvring skills, noiseless locomotion, rapid turning, fast starting and long distance cruising. Studies have identified several types of locomotion that fish use to generate maneuvering and steady swimming. At low speeds most fishes uses median and/or paired fins for its locomotion, offering greater maneuverability and better propulsive efficiency At high speeds the locomotion involves the body and/or caudal fin because this can achieve greater thrust and accelerations. This can inspire the design and fabrication of a highly deformable soft artificial skins, morphing caudal fins and non articulated backbone with a significant maneuverability capacity. This thesis presents the development of a novel bio-inspired and biomimetic fishlike robot (BR3) inspired by the maneuverability and steady swimming ability of ray-finned fishes (Actinopterygii, bony fishes). Inspired by the morphology of the Largemouth Bass fish, the BR3 uses its biological foundation to develop accurate mathematical models and methods allowing to mimic fish locomotion. The Largemouth Bass fishes can achieve an amazing level of maneuverability and propulsive efficiency by combining undulatory movements and morphing fins. To mimic the locomotion of the real fishes on an artificial counterpart needs the analysis of alternative actuation technologies more likely muscle fiber arrays instead of standard servomotor actuators as well as a bendable material that provides a continuous structure without joins. The Shape Memory Alloys (SMAs) provide the possibility of building lightweight, joint-less, noise-less, motor-less and gear-less robots. Thus a swimming underwater fish-like robot has been developed whose movements are generated using SMAs. These actuators are suitable for bending the continuous backbone of the fish, which in turn causes a change in the curvature of the body. This type of structural arrangement is inspired by fish red muscles, which are mainly recruited during steady swimming for the bending of a flexible but nearly incompressible structure such as the fishbone. Likewise the caudal fin is based on SMAs and is customized to provide the necessary work out. The bendable structure provides thrust and allows the BR3 to swim. On the other hand the morphing caudal fin provides roll and yaw movements. Motivated by the versatility of the BR3 to mimic all the swimming modes (anguilliform, caranguiform, subcaranguiform and thunniform) a bending-speed controller is proposed. The bending-speed control law incorporates bend angle and frequency information to produce desired swimming mode and swimming speed. Likewise according to the biological fact about the influence of caudal fin shape in the maneuverability during steady swimming an attitude control is proposed. This novel fish robot is the first of its kind to incorporate only SMAs to bend a flexible continuous structure without joints and gears to produce thrust and mimic all the swimming modes as well as the caudal fin to be morphing. This novel mechatronic design is a promising way to design more efficient swimming/morphing underwater vehicles. The novel control methodology proposed in this thesis provide a totally new way of controlling robots based on SMAs, making them more energy efficient and the incorporation of a morphing caudal fin allows to perform more efficient maneuvers. As a whole, the BR3 project consists of five major stages of development: • Study and analysis of biological fish swimming data reported in specialized literature aimed at defining design and control criteria. • Formulation of mathematical models for: i) body kinematics, ii) dynamics, iii) hydrodynamics, iv) free vibration analysis and v) SMA muscle-like actuation. It is aimed at modelling the e ects of modulating caudal fin and body bend into the production of thrust forces for swimming, rotational forces for maneuvering and energy consumption optimisation. • Bio-inspired design and fabrication of: i) skeletal structure of backbone and body, ii) SMA muscle-like mechanisms for the body and caudal fin, iii) the artificial skin, iv) electronics onboard and v) sensor fusion. It is aimed at developing the fish-like platform (BR3) that allows for testing the methods proposed. • The swimming controller: i) control of SMA-muscles (morphing-caudal fin modulation and attitude regulation) and ii) steady swimming control (bend modulation and speed modulation). It is aimed at formulating the proper control methods that allow for the proper modulation of BR3’s caudal fin and body. • Experiments: it is aimed at quantifying the effects of: i) properly caudal fin modulation into hydrodynamics and rotation production for maneuvering, ii) body bending into thrust generation and iii) skin flexibility into BR3 bending ability. It is also aimed at demonstrating and validating the hypothesis of improving swimming and maneuvering efficiency thanks to the novel control methods presented in this thesis. This thesis introduces the challenges and methods to address these stages. Waterchannel experiments will be oriented to discuss and demonstrate how the caudal fin and body can considerably affect the dynamics/hydrodynamics of swimming/maneuvering and how to take advantage of bend modulation that the morphing-caudal fin and body enable to properly change caudal fin and body’ geometry during steady swimming and maneuvering.

Optimization of the Integrated Guidance and Control for a Dual Aerodynamic Control Missile

Las futuras misiones para misiles aire-aire operando dentro de la atmósfera requieren la interceptación de blancos a mayores velocidades y más maniobrables, incluyendo los esperados vehículos aéreos de combate no tripulados. La intercepción tiene que lograrse desde cualquier ángulo de lanzamiento. Una de las principales discusiones en la tecnología de misiles en la actualidad es cómo satisfacer estos nuevos requisitos incrementando la capacidad de maniobra del misil y en paralelo, a través de mejoras en los métodos de guiado y control modernos. Esta Tesis aborda estos dos objetivos simultáneamente, al proponer un diseño integrando el guiado y el control de vuelo (autopiloto) y aplicarlo a misiles con control aerodinámico simultáneo en canard y cola. Un primer avance de los resultados obtenidos ha sido publicado recientemente en el Journal of Aerospace Engineering, en Abril de 2015, [Ibarrondo y Sanz-Aranguez, 2015]. El valor del diseño integrado obtenido es que permite al misil cumplir con los requisitos operacionales mencionados empleando únicamente control aerodinámico. El diseño propuesto se compara favorablemente con esquemas más tradicionales, consiguiendo menores distancias de paso al blanco y necesitando de menores esfuerzos de control incluso en presencia de ruidos. En esta Tesis se demostrará cómo la introducción del doble mando, donde tanto el canard como las aletas de cola son móviles, puede mejorar las actuaciones de un misil existente. Comparado con un misil con control en cola, el doble control requiere sólo introducir dos servos adicionales para accionar los canards también en guiñada y cabeceo. La sección de cola será responsable de controlar el misil en balanceo mediante deflexiones diferenciales de los controles. En el caso del doble mando, la complicación añadida es que los vórtices desprendidos de los canards se propagan corriente abajo y pueden incidir sobre las superficies de cola, alterando sus características de control. Como un primer aporte, se ha desarrollado un modelo analítico completo para la aerodinámica no lineal de un misil con doble control, incluyendo la caracterización de este efecto de acoplamiento aerodinámico. Hay dos modos de funcionamiento en picado y guiñada para un misil de doble mando: ”desviación” y ”opuesto”. En modo ”desviación”, los controles actúan en la misma dirección, generando un cambio inmediato en la sustentación y produciendo un movimiento de translación en el misil. La respuesta es rápida, pero en el modo ”desviación” los misiles con doble control pueden tener dificultades para alcanzar grandes ángulos de ataque y altas aceleraciones laterales. Cuando los controles actúan en direcciones opuestas, el misil rota y el ángulo de ataque del fuselaje se incrementa para generar mayores aceleraciones en estado estacionario, aunque el tiempo de respuesta es mayor. Con el modelo aerodinámico completo, es posible obtener una parametrización dependiente de los estados de la dinámica de corto periodo del misil. Debido al efecto de acoplamiento entre los controles, la respuesta en bucle abierto no depende linealmente de los controles. El autopiloto se optimiza para obtener la maniobra requerida por la ley de guiado sin exceder ninguno de los límites aerodinámicos o mecánicos del misil. Una segunda contribución de la tesis es el desarrollo de un autopiloto con múltiples entradas de control y que integra la aerodinámica no lineal, controlando los tres canales de picado, guiñada y cabeceo de forma simultánea. Las ganancias del autopiloto dependen de los estados del misil y se calculan a cada paso de integración mediante la resolución de una ecuación de Riccati de orden 21x21. Las ganancias obtenidas son sub-óptimas, debido a que una solución completa de la ecuación de Hamilton-Jacobi-Bellman no puede obtenerse de manera práctica, y se asumen ciertas simplificaciones. Se incorpora asimismo un mecanismo que permite acelerar la respuesta en caso necesario. Como parte del autopiloto, se define una estrategia para repartir el esfuerzo de control entre el canard y la cola. Esto se consigue mediante un controlador aumentado situado antes del bucle de optimización, que minimiza el esfuerzo total de control para maniobrar. Esta ley de alimentación directa mantiene al misil cerca de sus condiciones de equilibrio, garantizando una respuesta transitoria adecuada. El controlador no lineal elimina la respuesta de fase no-mínima característica de la cola. En esta Tesis se consideran dos diseños para el guiado y control, el control en Doble-Lazo y el control Integrado. En la aproximación de Doble-Lazo, el autopiloto se sitúa dentro de un bucle interior y se diseña independientemente del guiado, que conforma el bucle más exterior del control. Esta estructura asume que existe separación espectral entre los dos, esto es, que los tiempos de respuesta del autopiloto son mucho mayores que los tiempos característicos del guiado. En el estudio se combina el autopiloto desarrollado con una ley de guiado óptimo. Los resultados obtenidos demuestran que se consiguen aumentos muy importantes en las actuaciones frente a misiles con control canard o control en cola, y que la interceptación, cuando se lanza cerca del curso de colisión, se consigue desde cualquier ángulo alrededor del blanco. Para el misil de doble mando, la estrategia óptima resulta en utilizar el modo de control opuesto en la aproximación al blanco y utilizar el modo de desviación justo antes del impacto. Sin embargo la lógica de doble bucle no consigue el impacto cuando hay desviaciones importantes con respecto al curso de colisión. Una de las razones es que parte de la demanda de guiado se pierde, ya que el misil solo es capaz de modificar su aceleración lateral, y no tiene control sobre su aceleración axial, a no ser que incorpore un motor de empuje regulable. La hipótesis de separación mencionada, y que constituye la base del Doble-Bucle, puede no ser aplicable cuando la dinámica del misil es muy alta en las proximidades del blanco. Si se combinan el guiado y el autopiloto en un único bucle, la información de los estados del misil está disponible para el cálculo de la ley de guiado, y puede calcularse la estrategia optima de guiado considerando las capacidades y la actitud del misil. Una tercera contribución de la Tesis es la resolución de este segundo diseño, la integración no lineal del guiado y del autopiloto (IGA) para el misil de doble control. Aproximaciones anteriores en la literatura han planteado este sistema en ejes cuerpo, resultando en un sistema muy inestable debido al bajo amortiguamiento del misil en cabeceo y guiñada. Las simplificaciones que se tomaron también causan que el misil se deslice alrededor del blanco y no consiga la intercepción. En nuestra aproximación el problema se plantea en ejes inerciales y se recurre a la dinámica de los cuaterniones, eliminado estos inconvenientes. No se limita a la dinámica de corto periodo del misil, porque se construye incluyendo de modo explícito la velocidad dentro del bucle de optimización. La formulación resultante en el IGA es independiente de la maniobra del blanco, que sin embargo se ha de incluir en el cálculo del modelo en Doble-bucle. Un típico inconveniente de los sistemas integrados con controlador proporcional, es el problema de las escalas. Los errores de guiado dominan sobre los errores de posición del misil y saturan el controlador, provocando la pérdida del misil. Este problema se ha tratado aquí con un controlador aumentado previo al bucle de optimización, que define un estado de equilibrio local para el sistema integrado, que pasa a actuar como un regulador. Los criterios de actuaciones para el IGA son los mismos que para el sistema de Doble-Bucle. Sin embargo el problema matemático resultante es muy complejo. El problema óptimo para tiempo finito resulta en una ecuación diferencial de Riccati con condiciones terminales, que no puede resolverse. Mediante un cambio de variable y la introducción de una matriz de transición, este problema se transforma en una ecuación diferencial de Lyapunov que puede resolverse mediante métodos numéricos. La solución resultante solo es aplicable en un entorno cercano del blanco. Cuando la distancia entre misil y blanco es mayor, se desarrolla una solución aproximada basada en la solución de una ecuación algebraica de Riccati para cada paso de integración. Los resultados que se han obtenido demuestran, a través de análisis numéricos en distintos escenarios, que la solución integrada es mejor que el sistema de Doble-Bucle. Las trayectorias resultantes son muy distintas. El IGA preserva el guiado del misil y consigue maximizar el uso de la propulsión, consiguiendo la interceptación del blanco en menores tiempos de vuelo. El sistema es capaz de lograr el impacto donde el Doble-Bucle falla, y además requiere un orden menos de magnitud en la cantidad de cálculos necesarios. El efecto de los ruidos radar, datos discretos y errores del radomo se investigan. El IGA es más robusto, resultando menos afectado por perturbaciones que el Doble- Bucle, especialmente porque el núcleo de optimización en el IGA es independiente de la maniobra del blanco. La estimación de la maniobra del blanco es siempre imprecisa y contaminada por ruido, y degrada la precisión de la solución de Doble-Bucle. Finalmente, como una cuarta contribución, se demuestra que el misil con guiado IGA es capaz de realizar una maniobra de defensa contra un blanco que ataque por su cola, sólo con control aerodinámico. Las trayectorias estudiadas consideran una fase pre-programada de alta velocidad de giro, manteniendo siempre el misil dentro de su envuelta de vuelo. Este procedimiento no necesita recurrir a soluciones técnicamente más complejas como el control vectorial del empuje o control por chorro para ejecutar esta maniobra. En todas las demostraciones matemáticas se utiliza el producto de Kronecker como una herramienta practica para manejar las parametrizaciones dependientes de variables, que resultan en matrices de grandes dimensiones. ABSTRACT Future missions for air to air endo-atmospheric missiles require the interception of targets with higher speeds and more maneuverable, including forthcoming unmanned supersonic combat vehicles. The interception will need to be achieved from any angle and off-boresight launch conditions. One of the most significant discussions in missile technology today is how to satisfy these new operational requirements by increasing missile maneuvering capabilities and in parallel, through the development of more advanced guidance and control methods. This Thesis addresses these two objectives by proposing a novel optimal integrated guidance and autopilot design scheme, applicable to more maneuverable missiles with forward and rearward aerodynamic controls. A first insight of these results have been recently published in the Journal of Aerospace Engineering in April 2015, [Ibarrondo and Sanz-Aránguez, 2015]. The value of this integrated solution is that it allows the missile to comply with the aforementioned requirements only by applying aerodynamic control. The proposed design is compared against more traditional guidance and control approaches with positive results, achieving reduced control efforts and lower miss distances with the integrated logic even in the presence of noises. In this Thesis it will be demonstrated how the dual control missile, where canard and tail fins are both movable, can enhance the capabilities of an existing missile airframe. Compared to a tail missile, dual control only requires two additional servos to actuate the canards in pitch and yaw. The tail section will be responsible to maintain the missile stabilized in roll, like in a classic tail missile. The additional complexity is that the vortices shed from the canard propagate downstream where they interact with the tail surfaces, altering the tail expected control characteristics. These aerodynamic phenomena must be properly described, as a preliminary step, with high enough precision for advanced guidance and control studies. As a first contribution we have developed a full analytical model of the nonlinear aerodynamics of a missile with dual control, including the characterization of this cross-control coupling effect. This development has been produced from a theoretical model validated with reliable practical data obtained from wind tunnel experiments available in the scientific literature, complement with computer fluid dynamics and semi-experimental methods. There are two modes of operating a missile with forward and rear controls, ”divert” and ”opposite” modes. In divert mode, controls are deflected in the same direction, generating an increment in direct lift and missile translation. Response is fast, but in this mode, dual control missiles may have difficulties in achieving large angles of attack and high level of lateral accelerations. When controls are deflected in opposite directions (opposite mode) the missile airframe rotates and the body angle of attack is increased to generate greater accelerations in steady-state, although the response time is larger. With the aero-model, a state dependent parametrization of the dual control missile short term dynamics can be obtained. Due to the cross-coupling effect, the open loop dynamics for the dual control missile is not linearly dependent of the fin positions. The short term missile dynamics are blended with the servo system to obtain an extended autopilot model, where the response is linear with the control fins turning rates, that will be the control variables. The flight control loop is optimized to achieve the maneuver required by the guidance law without exceeding any of the missile aerodynamic or mechanical limitations. The specific aero-limitations and relevant performance indicators for the dual control are set as part of the analysis. A second contribution of this Thesis is the development of a step-tracking multi-input autopilot that integrates non-linear aerodynamics. The designed dual control missile autopilot is a full three dimensional autopilot, where roll, pitch and yaw are integrated, calculating command inputs simultaneously. The autopilot control gains are state dependent, and calculated at each integration step solving a matrix Riccati equation of order 21x21. The resulting gains are sub-optimal as a full solution for the Hamilton-Jacobi-Bellman equation cannot be resolved in practical terms and some simplifications are taken. Acceleration mechanisms with an λ-shift is incorporated in the design. As part of the autopilot, a strategy is defined for proper allocation of control effort between canard and tail channels. This is achieved with an augmented feed forward controller that minimizes the total control effort of the missile to maneuver. The feedforward law also maintains the missile near trim conditions, obtaining a well manner response of the missile. The nonlinear controller proves to eliminate the non-minimum phase effect of the tail. Two guidance and control designs have been considered in this Thesis: the Two- Loop and the Integrated approaches. In the Two-Loop approach, the autopilot is placed in an inner loop and designed separately from an outer guidance loop. This structure assumes that spectral separation holds, meaning that the autopilot response times are much higher than the guidance command updates. The developed nonlinear autopilot is linked in the study to an optimal guidance law. Simulations are carried on launching close to collision course against supersonic and highly maneuver targets. Results demonstrate a large boost in performance provided by the dual control versus more traditional canard and tail missiles, where interception with the dual control close to collision course is achieved form 365deg all around the target. It is shown that for the dual control missile the optimal flight strategy results in using opposite control in its approach to target and quick corrections with divert just before impact. However the Two-Loop logic fails to achieve target interception when there are large deviations initially from collision course. One of the reasons is that part of the guidance command is not followed, because the missile is not able to control its axial acceleration without a throttleable engine. Also the separation hypothesis may not be applicable for a high dynamic vehicle like a dual control missile approaching a maneuvering target. If the guidance and autopilot are combined into a single loop, the guidance law will have information of the missile states and could calculate the most optimal approach to the target considering the actual capabilities and attitude of the missile. A third contribution of this Thesis is the resolution of the mentioned second design, the non-linear integrated guidance and autopilot (IGA) problem for the dual control missile. Previous approaches in the literature have posed the problem in body axes, resulting in high unstable behavior due to the low damping of the missile, and have also caused the missile to slide around the target and not actually hitting it. The IGA system is posed here in inertial axes and quaternion dynamics, eliminating these inconveniences. It is not restricted to the missile short term dynamic, and we have explicitly included the missile speed as a state variable. The IGA formulation is also independent of the target maneuver model that is explicitly included in the Two-loop optimal guidance law model. A typical problem of the integrated systems with a proportional control law is the problem of scales. The guidance errors are larger than missile state errors during most of the flight and result in high gains, control saturation and loss of control. It has been addressed here with an integrated feedforward controller that defines a local equilibrium state at each flight point and the controller acts as a regulator to minimize the IGA states excursions versus the defined feedforward state. The performance criteria for the IGA are the same as in the Two-Loop case. However the resulting optimization problem is mathematically very complex. The optimal problem in a finite-time horizon results in an irresoluble state dependent differential Riccati equation with terminal conditions. With a change of variable and the introduction of a transition matrix, the equation is transformed into a time differential Lyapunov equation that can be solved with known numerical methods in real time. This solution results range limited, and applicable when the missile is in a close neighborhood of the target. For larger ranges, an approximate solution is used, obtained from solution of an algebraic matrix Riccati equation at each integration step. The results obtained show, by mean of several comparative numerical tests in diverse homing scenarios, than the integrated approach is a better solution that the Two- Loop scheme. Trajectories obtained are very different in the two cases. The IGA fully preserves the guidance command and it is able to maximize the utilization of the missile propulsion system, achieving interception with lower miss distances and in lower flight times. The IGA can achieve interception against off-boresight targets where the Two- Loop was not able to success. As an additional advantage, the IGA also requires one order of magnitude less calculations than the Two-Loop solution. The effects of radar noises, discrete radar data and radome errors are investigated. IGA solution is robust, and less affected by radar than the Two-Loop, especially because the target maneuvers are not part of the IGA core optimization loop. Estimation of target acceleration is always imprecise and noisy and degrade the performance of the two-Loop solution. The IGA trajectories are such that minimize the impact of radome errors in the guidance loop. Finally, as a fourth contribution, it is demonstrated that the missile with IGA guidance is capable of performing a defense against attacks from its rear hemisphere, as a tail attack, only with aerodynamic control. The studied trajectories have a preprogrammed high rate turn maneuver, maintaining the missile within its controllable envelope. This solution does not recur to more complex features in service today, like vector control of the missile thrust or side thrusters. In all the mathematical treatments and demonstrations, the Kronecker product has been introduced as a practical tool to handle the state dependent parametrizations that have resulted in very high order matrix equations.