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.

Rapid prototyping framework for visual control of autonomous micro aerial vehicles

Rapid prototyping environments can speed up the research of visual control algorithms. We have designed and implemented a software framework for fast prototyping of visual control algorithms for Micro Aerial Vehicles (MAV). We have applied a combination of a proxy-based network communication architecture and a custom Application Programming Interface. This allows multiple experimental configurations, like drone swarms or distributed processing of a drone’s video stream. Currently, the framework supports a low-cost MAV: the Parrot AR.Drone. Real tests have been performed on this platform and the results show comparatively low figures of the extra communication delay introduced by the framework, while adding new functionalities and flexibility to the selected drone. This implementation is open-source and can be downloaded from www.vision4uav.com/?q=VC4MAV-FW

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.

Vision-Based Tracking, Odometry and Control for UAV Autonomy

El principal objetivo de este trabajo es proporcionar una solución en tiempo real basada en visión estéreo o monocular precisa y robusta para que un vehículo aéreo no tripulado (UAV) sea autónomo en varios tipos de aplicaciones UAV, especialmente en entornos abarrotados sin señal GPS. Este trabajo principalmente consiste en tres temas de investigación de UAV basados en técnicas de visión por computador: (I) visual tracking, proporciona soluciones efectivas para localizar visualmente objetos de interés estáticos o en movimiento durante el tiempo que dura el vuelo del UAV mediante una aproximación adaptativa online y una estrategia de múltiple resolución, de este modo superamos los problemas generados por las diferentes situaciones desafiantes, tales como cambios significativos de aspecto, iluminación del entorno variante, fondo del tracking embarullado, oclusión parcial o total de objetos, variaciones rápidas de posición y vibraciones mecánicas a bordo. La solución ha sido utilizada en aterrizajes autónomos, inspección de plataformas mar adentro o tracking de aviones en pleno vuelo para su detección y evasión; (II) odometría visual: proporciona una solución eficiente al UAV para estimar la posición con 6 grados de libertad (6D) usando únicamente la entrada de una cámara estéreo a bordo del UAV. Un método Semi-Global Blocking Matching (SGBM) eficiente basado en una estrategia grueso-a-fino ha sido implementada para una rápida y profunda estimación del plano. Además, la solución toma provecho eficazmente de la información 2D y 3D para estimar la posición 6D, resolviendo de esta manera la limitación de un punto de referencia fijo en la cámara estéreo. Una robusta aproximación volumétrica de mapping basada en el framework Octomap ha sido utilizada para reconstruir entornos cerrados y al aire libre bastante abarrotados en 3D con memoria y errores correlacionados espacialmente o temporalmente; (III) visual control, ofrece soluciones de control prácticas para la navegación de un UAV usando Fuzzy Logic Controller (FLC) con la estimación visual. Y el framework de Cross-Entropy Optimization (CEO) ha sido usado para optimizar el factor de escala y la función de pertenencia en FLC. Todas las soluciones basadas en visión en este trabajo han sido probadas en test reales. Y los conjuntos de datos de imágenes reales grabados en estos test o disponibles para la comunidad pública han sido utilizados para evaluar el rendimiento de estas soluciones basadas en visión con ground truth. Además, las soluciones de visión presentadas han sido comparadas con algoritmos de visión del estado del arte. Los test reales y los resultados de evaluación muestran que las soluciones basadas en visión proporcionadas han obtenido rendimientos en tiempo real precisos y robustos, o han alcanzado un mejor rendimiento que aquellos algoritmos del estado del arte. La estimación basada en visión ha ganado un rol muy importante en controlar un UAV típico para alcanzar autonomía en aplicaciones UAV. ABSTRACT The main objective of this dissertation is providing real-time accurate robust monocular or stereo vision-based solution for Unmanned Aerial Vehicle (UAV) to achieve the autonomy in various types of UAV applications, especially in GPS-denied dynamic cluttered environments. This dissertation mainly consists of three UAV research topics based on computer vision technique: (I) visual tracking, it supplys effective solutions to visually locate interesting static or moving object over time during UAV flight with on-line adaptivity approach and multiple-resolution strategy, thereby overcoming the problems generated by the different challenging situations, such as significant appearance change, variant surrounding illumination, cluttered tracking background, partial or full object occlusion, rapid pose variation and onboard mechanical vibration. The solutions have been utilized in autonomous landing, offshore floating platform inspection and midair aircraft tracking for sense-and-avoid; (II) visual odometry: it provides the efficient solution for UAV to estimate the 6 Degree-of-freedom (6D) pose using only the input of stereo camera onboard UAV. An efficient Semi-Global Blocking Matching (SGBM) method based on a coarse-to-fine strategy has been implemented for fast depth map estimation. In addition, the solution effectively takes advantage of both 2D and 3D information to estimate the 6D pose, thereby solving the limitation of a fixed small baseline in the stereo camera. A robust volumetric occupancy mapping approach based on the Octomap framework has been utilized to reconstruct indoor and outdoor large-scale cluttered environments in 3D with less temporally or spatially correlated measurement errors and memory; (III) visual control, it offers practical control solutions to navigate UAV using Fuzzy Logic Controller (FLC) with the visual estimation. And the Cross-Entropy Optimization (CEO) framework has been used to optimize the scaling factor and the membership function in FLC. All the vision-based solutions in this dissertation have been tested in real tests. And the real image datasets recorded from these tests or available from public community have been utilized to evaluate the performance of these vision-based solutions with ground truth. Additionally, the presented vision solutions have compared with the state-of-art visual algorithms. Real tests and evaluation results show that the provided vision-based solutions have obtained real-time accurate robust performances, or gained better performance than those state-of-art visual algorithms. The vision-based estimation has played a critically important role for controlling a typical UAV to achieve autonomy in the UAV application.

Nagele: un nuevo asentamiento en un paisaje artificial

Nagele es un asentamiento urbano situado en el Noordoostpolder, territorio neerlandés ganado al mar. Fue diseñado por arquitectos de los grupos De 8 en Opbouw entre los que destacaron Rietveld, Van Eesteren, Van Eyck, Bakema, Stam y Ruys. El proyecto se desarrolló entre 1947 y 1956, un periodo de tiempo con formas de proyectar muy ricas en interpretaciones. Los arquitectos pusieron en crisis los planteamientos historicistas de las nuevas poblaciones de los pólderes. Propusieron un nuevo prototipo, una morfología compacta y concéntrica que transmitiría igualdad a una comunidad agrícola, entendida como una sociedad urbana del siglo XX. La administración apoyó la propuesta que convertiría el proyecto en un arriesgado reto por su falta de antecedentes. La vigencia de las formulaciones permanece hoy en día en la ciudad construida, aunque con alteraciones. En los dibujos del proceso se encuentran los principales enunciados teóricos que este trabajo pretende descubrir. El trabajo aborda aspectos no suficientemente explorados, como su relación con el pólder, la evolución de las estrategias proyectivas, la ordenación paisajista y los elementos urbanos. El Noordoostpolder es la culminación de una serie de experiencias multidisciplinares en el reclamo de tierras a gran escala. Se estudia su estructura urbana policéntrica, la parcelación agrícola que origina el proyecto urbano y la vinculación de la vegetación con la infraestructura, proporcionando orientación, protección climática y escala humana, conceptos que impregnan las estrategias del proyecto urbano. La primera fase de la ordenación configuró áreas monofuncionales que respondían a cada una de las cuatro necesidades básicas del método científico de la ciudad higienista. El acontecimiento que marcó el final de la primera fase fue su presentación en el séptimo CIAM de 1949, cuyo título fue Aplicación de la Carta de Atenas. El programa residencial se dividió en clusters organizados en torno a una pradera vecinal central, vinculándose el orden vecinal, urbano y territorial. La segunda fase fue un catalizador de nuevos planteamientos. El proyecto se transformó en un In-between Realm, un escenario teórico donde coexisten fenómenos tradicionalmente antagónicos que Van Eyck denominó Twin Phenomena, convirtiéndose la ciudad en una réplica formal de la ambivalencia de la mente humana. La indefinición espacial no programada en la propuesta anterior se transformó en un conjunto de espacios urbanos, con límites y dimensiones adaptados a la escala humana. El proyecto es anterior a la obra escrita de Van Eyck por lo que estimuló sus enunciados teóricos. Unas ideas también reconocidas en los tres CIAM posteriores en los que también se expuso el proyecto. El diseño paisajista se integra en el proyecto urbano desde sus orígenes. El límite se compone de una barrera boscosa que protege climáticamente, proporciona escala humana y control visual frente a las llanuras infinitas del pólder. Van Eyck sintetizó el proyecto como una habitación verde sin techo, afirmación que dilucida su equivalencia con el de un interior doméstico. Exteriormente la ciudad se convierte en una unidad autónoma del territorio. Interiormente, un sistema jerarquizado de vegetación vinculado a la arquitectura y la infraestructura constituye espacios urbanos de diferentes escalas. La propuesta fue transformada por Boer y Ruys en un nuevo espacio urbano único, no asimilando los conceptos anteriores. El proyecto y construcción de los primeros elementos urbanos consistió en un reparto de tareas a De 8 en Opbouw, hecho que estimula estudiar su relación con el proyecto urbano. La estructura policéntrica organiza las aulas de las escuelas de Van Eyck, las diferentes áreas confesionales del cementerio de Ruys y las unidades residenciales, diseñadas por Stam, Rietveld y Stam-Besse. Los Twin Phenomena alcanzan un acuerdo en el corredor comercial, diseñado por Bakema y Van der Broek. La generación de espacios dentro de otros aparece también en el cementerio, a través de una nueva barrera boscosa y en el sistema de pliegues del muro que configura la iglesia de Bakema y Van der Broek. El proyecto se vincula a un planteamiento holístico, mediante el que el diseño de cada uno de sus elementos tiene en cuenta las estrategias proyectivas del todo del cual forma parte, convirtiéndose, al igual que las obras de De Stijl, en parte de una composición infinita que acerca arte y diseño en la vida cotidiana de la sociedad. La diversidad generacional e ideológica de estos arquitectos convirtió el proyecto en un tablero de juego sobre el que se aplicaron diferentes formas de proyectar la ciudad, ubicando a Nagele en un punto de inflexión del Movimiento Moderno. ABSTRACT The research focuses on the Nagele project, a Dutch urban settlement located in the Noordoostpolder, a territory which was entirely reclaimed from the IJsselmeer lake. It was designed by a group of architects from the De 8 and Opbouw teams, the leading protagonists being Rietveld, Van Eesteren, Van Eyck, Bakema, Stam y Ruys. It was designed from 1947 to 1956, a fruitful period in urban planning. These architects questioned the traditionalist urban design applied to the new populations in the IJsselmeer polders. Facing their principles, the work group proposed a new prototype; a compact and concentric urban pattern to foster equality in a new community of farm labourers, which was recognized by the architects as a twentieth century urban society. The government supported their new proposals. The lack of implementation of the innovatory conceptual statements subjected the project into a high-risk challenge. However, in spite of these difficulties, the basic concepts remain though partially transformed, in the actual city. The project drawings reflect the principle concepts that this work aims to discover. Some approaches that have not been sufficiently studied are tackled in this thesis. Firstly, the project´s relationship with the polder. Secondly, the evolution of projective strategies during the period of urban planning, the landscape design and the design of urban elements. The Noordoostpolder is the culmination of a series of multi-disciplinary experiences in large scale land reclamation, whose polycentric urban structure and agricultural subdivision provide the framework of Nagele. Linking the vegetation to infrastructure fostered orientation, climate protection and human scale; strategies which were repeated, though on a smaller scale, in the actual city. The first phase of the project was composed of mono-functional urban areas which responded to each of the four basic human needs indicated by the scientific method of the functional city. The presentation of the project at the seventh CIAM in 1949 was the event which marked the end of the first phase of the planning. This congress was entitled Implementation of the Athens Charter. The residential program was divided into housing clusters surrounding a central prairie, a pattern which was related to its urban and territorial whole. The second phase of the plan was subjected to a new theoretical approach. The urban planning became an In-between Realm, a theoretical scenario where traditionally antagonistic concepts coexist. Van Eyck named these concepts Twin Phenomena. The city thus conceived of as a counterform of the ambivalence of the human mind where spatial indefinition in the previous proposals was transformed into a Bunch of Places with defined boundaries and dimensions, all of which reflecting human scale. The landscape design was integrated into the urban project from its inception. The limits consist of a green wind-barrier which not only provides climate protection but also provides human scale and visual control towards the unlimited plains of the polder. Van Eyck summarised the project as a green room without a roof. This statement elucidates its equivalence to a domestic interior. Outwardly, the city becomes an autonomous unit on the territory. Inwardly a hierarchical vegetation system is linked to architecture and infrastructure. Together, they configure different scales of urban spaces. The proposal was transformed by Boer and Ruys into a unique urban space without assimilating Van Eyck´s concepts. The study of the Nagele landscape project of Nagele and the writings of Van Eyck verify the fact that many of his theoretical foundations (In-between Realm, Twin Phenomena, Bunch of Places, Right Scale) can be applied not only to architecture and city but also to landscape design. The application of these principles led the Nagele project to become a counterform of Van Eyck´s thinking. The design and construction of the first urban elements involved a distribution of tasks to De 8 en Opbouw, which stimulated their relationship with the urban project. The polycentric structure organised the school classrooms outlined by Van Eyck, the different areas of the cemetery planned by Ruys and the housing clusters designed by Stam, Rietveld and Stam-Besse. The Twin Phenomena concept can be applied in Van der Broek´s shopping corridor. The concept space within another space is also implemented in the cemetery surrounded by a new green barrier, and in the church built by Van der Broek and Bakema, whose spaces are configured by a folding wall. The project takes a holistic approach, which considers the design of each element within the strategies of the whole, where they become parts of an infinite composition, as in the art works of De Stijl fostering art and design to ordinary people´s daily lives. The generational and ideological diversity of these architects turned the project into a game board on which different ways of planning the city were played, obtaining Nagele the distinction of being a turning point of Modernism.

A Visual AGV-Urban Car using Fuzzy Control

The goal of the work described in this paper is to develop a visual line guided system for being used on-board an Autonomous Guided Vehicle (AGV) commercial car, controlling the steering and using just the visual information of a line painted below the car. In order to implement the control of the vehicle, a Fuzzy Logic controller has been implemented, that has to be robust against curvature changes and velocity changes. The only input information for the controller is the visual distance from the image center captured by a camera pointing downwards to the guiding line on the road, at a commercial frequency of 30Hz. The good performance of the controller has successfully been demonstrated in a real environment at urban velocities. The presented results demonstrate the capability of the Fuzzy controller to follow a circuit in urban environments without previous information about the path or any other information from additional sensors

On-board and Ground Visual Pose Estimation Techniques for UAV Control

In this paper, two techniques to control UAVs (Unmanned Aerial Vehicles), based on visual information are presented. The first one is based on the detection and tracking of planar structures from an on-board camera, while the second one is based on the detection and 3D reconstruction of the position of the UAV based on an external camera system. Both strategies are tested with a VTOL (Vertical take-off and landing) UAV, and results show good behavior of the visual systems (precision in the estimation and frame rate) when estimating the helicopter¿s position and using the extracted information to control the UAV.

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.

3D Object following based on visual information for Unmanned Aerial Vehicles

This article presents a novel system and a control strategy for visual following of a 3D moving object by an Unmanned Aerial Vehicle UAV. The presented strategy is based only on the visual information given by an adaptive tracking method based on the color information, which jointly with the dynamics of a camera fixed to a rotary wind UAV are used to develop an Image-based visual servoing IBVS system. This system is focused on continuously following a 3D moving target object, maintaining it with a fixed distance and centered on the image plane. The algorithm is validated on real flights on outdoors scenarios, showing the robustness of the proposed systems against winds perturbations, illumination and weather changes among others. The obtained results indicate that the proposed algorithms is suitable for complex controls task, such object following and pursuit, flying in formation, as well as their use for indoor navigation

Aerial Object Following Using Visual Fuzzy Servoing

This article presents a visual servoing system to follow a 3D moving object by a Micro Unmanned Aerial Vehicle (MUAV). The presented control strategy is based only on the visual information given by an adaptive tracking method based on the colour information. A visual fuzzy system has been developed for servoing the camera situated on a rotary wing MAUV, that also considers its own dynamics. This system is focused on continuously following of an aerial moving target object, maintaining it with a fixed safe distance and centred on the image plane. The algorithm is validated on real flights on outdoors scenarios, showing the robustness of the proposed systems against winds perturbations, illumination and weather changes among others. The obtained results indicate that the proposed algorithms is suitable for complex controls task, such object following and pursuit, flying in formation, as well as their use for indoor navigation

See-and-avoid quadcopter using fuzzy control optimized by cross-entropy

In this work we present an optimized fuzzy visual servoing system for obstacle avoidance using an unmanned aerial vehicle. The cross-entropy theory is used to optimise the gains of our controllers. The optimization process was made using the ROS-Gazebo 3D simulation with purposeful extensions developed for our experiments. Visual servoing is achieved through an image processing front-end that uses the Camshift algorithm to detect and track objects in the scene. Experimental flight trials using a small quadrotor were performed to validate the parameters estimated from simulation. The integration of crossentropy methods is a straightforward way to estimate optimal gains achieving excellent results when tested in real flights.

Design and control of multi-finger haptic devices for dexterous manipulation

En la interacción con el entorno que nos rodea durante nuestra vida diaria (utilizar un cepillo de dientes, abrir puertas, utilizar el teléfono móvil, etc.) y en situaciones profesionales (intervenciones médicas, procesos de producción, etc.), típicamente realizamos manipulaciones avanzadas que incluyen la utilización de los dedos de ambas manos. De esta forma el desarrollo de métodos de interacción háptica multi-dedo dan lugar a interfaces hombre-máquina más naturales y realistas. No obstante, la mayoría de interfaces hápticas disponibles en el mercado están basadas en interacciones con un solo punto de contacto; esto puede ser suficiente para la exploración o palpación del entorno pero no permite la realización de tareas más avanzadas como agarres. En esta tesis, se investiga el diseño mecánico, control y aplicaciones de dispositivos hápticos modulares con capacidad de reflexión de fuerzas en los dedos índice, corazón y pulgar del usuario. El diseño mecánico de la interfaz diseñada, ha sido optimizado con funciones multi-objetivo para conseguir una baja inercia, un amplio espacio de trabajo, alta manipulabilidad y reflexión de fuerzas superiores a 3 N en el espacio de trabajo. El ancho de banda y la rigidez del dispositivo se han evaluado mediante simulación y experimentación real. Una de las áreas más importantes en el diseño de estos dispositivos es el efector final, ya que es la parte que está en contacto con el usuario. Durante este trabajo se ha diseñado un dedal de bajo peso, adaptable a diferentes usuarios que, mediante la incorporación de sensores de contacto, permite estimar fuerzas normales y tangenciales durante la interacción con entornos reales y virtuales. Para el diseño de la arquitectura de control, se estudiaron los principales requisitos para estos dispositivos. Entre estos, cabe destacar la adquisición, procesado e intercambio a través de internet de numerosas señales de control e instrumentación; la computación de equaciones matemáticas incluyendo la cinemática directa e inversa, jacobiana, algoritmos de detección de agarres, etc. Todos estos componentes deben calcularse en tiempo real garantizando una frecuencia mínima de 1 KHz. Además, se describen sistemas para manipulación de precisión virtual y remota; así como el diseño de un método denominado "desacoplo cinemático iterativo" para computar la cinemática inversa de robots y la comparación con otros métodos actuales. Para entender la importancia de la interacción multimodal, se ha llevado a cabo un estudio para comprobar qué estímulos sensoriales se correlacionan con tiempos de respuesta más rápidos y de mayor precisión. Estos experimentos se desarrollaron en colaboración con neurocientíficos del instituto Technion Israel Institute of Technology. Comparando los tiempos de respuesta en la interacción unimodal (auditiva, visual y háptica) con combinaciones bimodales y trimodales de los mismos, se demuestra que el movimiento sincronizado de los dedos para generar respuestas de agarre se basa principalmente en la percepción háptica. La ventaja en el tiempo de procesamiento de los estímulos hápticos, sugiere que los entornos virtuales que incluyen esta componente sensorial generan mejores contingencias motoras y mejoran la credibilidad de los eventos. Se concluye que, los sistemas que incluyen percepción háptica dotan a los usuarios de más tiempo en las etapas cognitivas para rellenar información de forma creativa y formar una experiencia más rica. Una aplicación interesante de los dispositivos hápticos es el diseño de nuevos simuladores que permitan entrenar habilidades manuales en el sector médico. En colaboración con fisioterapeutas de Griffith University en Australia, se desarrolló un simulador que permite realizar ejercicios de rehabilitación de la mano. Las propiedades de rigidez no lineales de la articulación metacarpofalange del dedo índice se estimaron mediante la utilización del efector final diseñado. Estos parámetros, se han implementado en un escenario que simula el comportamiento de la mano humana y que permite la interacción háptica a través de esta interfaz. Las aplicaciones potenciales de este simulador están relacionadas con entrenamiento y educación de estudiantes de fisioterapia. En esta tesis, se han desarrollado nuevos métodos que permiten el control simultáneo de robots y manos robóticas en la interacción con entornos reales. El espacio de trabajo alcanzable por el dispositivo háptico, se extiende mediante el cambio de modo de control automático entre posición y velocidad. Además, estos métodos permiten reconocer el gesto del usuario durante las primeras etapas de aproximación al objeto para su agarre. Mediante experimentos de manipulación avanzada de objetos con un manipulador y diferentes manos robóticas, se muestra que el tiempo en realizar una tarea se reduce y que el sistema permite la realización de la tarea con precisión. Este trabajo, es el resultado de una colaboración con investigadores de Harvard BioRobotics Laboratory. ABSTRACT When we interact with the environment in our daily life (using a toothbrush, opening doors, using cell-phones, etc.), or in professional situations (medical interventions, manufacturing processes, etc.) we typically perform dexterous manipulations that involve multiple fingers and palm for both hands. Therefore, multi-Finger haptic methods can provide a realistic and natural human-machine interface to enhance immersion when interacting with simulated or remote environments. Most commercial devices allow haptic interaction with only one contact point, which may be sufficient for some exploration or palpation tasks but are not enough to perform advanced object manipulations such as grasping. In this thesis, I investigate the mechanical design, control and applications of a modular haptic device that can provide force feedback to the index, thumb and middle fingers of the user. The designed mechanical device is optimized with a multi-objective design function to achieve a low inertia, a large workspace, manipulability, and force-feedback of up to 3 N within the workspace; the bandwidth and rigidity for the device is assessed through simulation and real experimentation. One of the most important areas when designing haptic devices is the end-effector, since it is in contact with the user. In this thesis the design and evaluation of a thimble-like, lightweight, user-adaptable, and cost-effective device that incorporates four contact force sensors is described. This design allows estimation of the forces applied by a user during manipulation of virtual and real objects. The design of a real-time, modular control architecture for multi-finger haptic interaction is described. Requirements for control of multi-finger haptic devices are explored. Moreover, a large number of signals have to be acquired, processed, sent over the network and mathematical computations such as device direct and inverse kinematics, jacobian, grasp detection algorithms, etc. have to be calculated in Real Time to assure the required high fidelity for the haptic interaction. The Hardware control architecture has different modules and consists of an FPGA for the low-level controller and a RT controller for managing all the complex calculations (jacobian, kinematics, etc.); this provides a compact and scalable solution for the required high computation capabilities assuring a correct frequency rate for the control loop of 1 kHz. A set-up for dexterous virtual and real manipulation is described. Moreover, a new algorithm named the iterative kinematic decoupling method was implemented to solve the inverse kinematics of a robotic manipulator. In order to understand the importance of multi-modal interaction including haptics, a subject study was carried out to look for sensory stimuli that correlate with fast response time and enhanced accuracy. This experiment was carried out in collaboration with neuro-scientists from Technion Israel Institute of Technology. By comparing the grasping response times in unimodal (auditory, visual, and haptic) events with the response times in events with bimodal and trimodal combinations. It is concluded that in grasping tasks the synchronized motion of the fingers to generate the grasping response relies on haptic cues. This processing-speed advantage of haptic cues suggests that multimodalhaptic virtual environments are superior in generating motor contingencies, enhancing the plausibility of events. Applications that include haptics provide users with more time at the cognitive stages to fill in missing information creatively and form a richer experience. A major application of haptic devices is the design of new simulators to train manual skills for the medical sector. In collaboration with physical therapists from Griffith University in Australia, we developed a simulator to allow hand rehabilitation manipulations. First, the non-linear stiffness properties of the metacarpophalangeal joint of the index finger were estimated by using the designed end-effector; these parameters are implemented in a scenario that simulates the behavior of the human hand and that allows haptic interaction through the designed haptic device. The potential application of this work is related to educational and medical training purposes. In this thesis, new methods to simultaneously control the position and orientation of a robotic manipulator and the grasp of a robotic hand when interacting with large real environments are studied. The reachable workspace is extended by automatically switching between rate and position control modes. Moreover, the human hand gesture is recognized by reading the relative movements of the index, thumb and middle fingers of the user during the early stages of the approximation-to-the-object phase and then mapped to the robotic hand actuators. These methods are validated to perform dexterous manipulation of objects with a robotic manipulator, and different robotic hands. This work is the result of a research collaboration with researchers from the Harvard BioRobotics Laboratory. The developed experiments show that the overall task time is reduced and that the developed methods allow for full dexterity and correct completion of dexterous manipulations.

Time domain passivity control for delayed teleoperation

La telepesencia combina diferentes modalidades sensoriales, incluyendo, entre otras, la visual y la del tacto, para producir una sensación de presencia remota en el operador. Un elemento clave en la implementación de sistemas de telepresencia para permitir una telemanipulación del entorno remoto es el retorno de fuerza. Durante una telemanipulación, la energía mecánica es transferida entre el operador humano y el entorno remoto. En general, la energía es una propiedad de los objetos físicos, fundamental en su mutual interacción. En esta interacción, la energía se puede transmitir entre los objetos, puede cambiar de forma pero no puede crearse ni destruirse. En esta tesis, se aplica este principio fundamental para derivar un nuevo método de control bilateral que permite el diseño de sistemas de teleoperación estables para cualquier arquitectura concebible. El razonamiento parte del hecho de que la energía mecánica insertada por el operador humano en el sistema debe transferirse hacia el entorno remoto y viceversa. Tal como se verá, el uso de la energía como variable de control permite un tratamiento más general del sistema que el control convencional basado en variables específicas del sistema. Mediante el concepto de Red de Potencia de Retardo Temporal (RPRT), el problema de definir los flujos de energía en un sistema de teleoperación es solucionado con independencia de la arquitectura de comunicación. Como se verá, los retardos temporales son la principal causa de generación de energía virtual. Este hecho se observa con retardos a partir de 1 milisegundo. Esta energía virtual es añadida al sistema de forma intrínseca y representa la causa principal de inestabilidad. Se demuestra que las RPRTs son transportadoras de la energía deseada intercambiada entre maestro y esclavo pero a la vez generadoras de energía virtual debido al retardo temporal. Una vez estas redes son identificadas, el método de Control de Pasividad en el Dominio Temporal para RPRTs se propone como mecanismo de control para asegurar la pasividad del sistema, y as__ la estabilidad. El método se basa en el simple hecho de que esta energía virtual debido al retardo debe transformarse en disipación. As__ el sistema se aproxima al sistema deseado, donde solo la energía insertada desde un extremo es transferida hacia el otro. El sistema resultante presenta dos cualidades: por un lado la estabilidad del sistema queda garantizada con independencia de la arquitectura del sistema y del canal de comunicación; por el otro, el rendimiento es maximizado en términos de fidelidad de transmisión energética. Los métodos propuestos se sustentan con sistemas experimentales con diferentes arquitecturas de control y retardos entre 2 y 900 ms. La tesis concluye con un experimento que incluye una comunicación espacial basada en el satélite geoestacionario ASTRA. ABSTRACT Telepresence combines different sensorial modalities, including vision and touch, to produce a feeling of being present in a remote location. The key element to successfully implement a telepresence system and thus to allow telemanipulation of a remote environment is force feedback. In a telemanipulation, mechanical energy must convey from the human operator to the manipulated object found in the remote environment. In general, energy is a property of all physical objects, fundamental to their mutual interactions in which the energy can be transferred among the objects and can change form but cannot be created or destroyed. In this thesis, we exploit this fundamental principle to derive a novel bilateral control mechanism that allows designing stable teleoperation systems with any conceivable communication architecture. The rationale starts from the fact that the mechanical energy injected by a human operator into the system must be conveyed to the remote environment and Vice Versa. As will be seen, setting energy as the control variable allows a more general treatment of the controlled system in contrast to the more conventional control of specific systems variables. Through the Time Delay Power Network (TDPN) concept, the issue of defining the energy flows involved in a teleoperation system is solved with independence of the communication architecture. In particular, communication time delays are found to be a source of virtual energy. This fact is observed with delays starting from 1 millisecond. Since this energy is added, the resulting teleoperation system can be non-passive and thus become unstable. The Time Delay Power Networks are found to be carriers of the desired exchanged energy but also generators of virtual energy due to the time delay. Once these networks are identified, the Time Domain Passivity Control approach for TDPNs is proposed as a control mechanism to ensure system passivity and therefore, system stability. The proposed method is based on the simple fact that this intrinsically added energy due to the communication must be transformed into dissipation. Then the system becomes closer to the ambitioned one, where only the energy injected from one end of the system is conveyed to the other one. The resulting system presents two benefits: On one hand, system stability is guaranteed through passivity independently from the chosen control architecture and communication channel; on the other, performance is maximized in terms of energy transfer faithfulness. The proposed methods are sustained with a set of experimental implementations using different control architectures and communication delays ranging from 2 to 900 milliseconds. An experiment that includes a communication Space link based on the geostationary satellite ASTRA concludes this thesis.

Online Learning-based Robust Visual Tracking for Autonomous Landing of Unmanned Aerial Vehicles

Autonomous landing is a challenging and important technology for both military and civilian applications of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). In this paper, we present a novel online adaptive visual tracking algorithm for UAVs to land on an arbitrary field (that can be used as the helipad) autonomously at real-time frame rates of more than twenty frames per second. The integration of low-dimensional subspace representation method, online incremental learning approach and hierarchical tracking strategy allows the autolanding task to overcome the problems generated by the challenging situations such as significant appearance change, variant surrounding illumination, partial helipad occlusion, rapid pose variation, onboard mechanical vibration (no video stabilization), low computational capacity and delayed information communication between UAV and Ground Control Station (GCS). The tracking performance of this presented algorithm is evaluated with aerial images from real autolanding flights using manually- labelled ground truth database. The evaluation results show that this new algorithm is highly robust to track the helipad and accurate enough for closing the vision-based control loop.

Online Learning-based Robust Visual Tracking for Autonomous Landing of Unmanned Aerial Vehicles

Autonomous landing is a challenging and important technology for both military and civilian applications of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). In this paper, we present a novel online adaptive visual tracking algorithm for UAVs to land on an arbitrary field (that can be used as the helipad) autonomously at real-time frame rates of more than twenty frames per second. The integration of low-dimensional subspace representation method, online incremental learning approach and hierarchical tracking strategy allows the autolanding task to overcome the problems generated by the challenging situations such as significant appearance change, variant surrounding illumination, partial helipad occlusion, rapid pose variation, onboard mechanical vibration (no video stabilization), low computational capacity and delayed information communication between UAV and Ground Control Station (GCS). The tracking performance of this presented algorithm is evaluated with aerial images from real autolanding flights using manually- labelled ground truth database. The evaluation results show that this new algorithm is highly robust to track the helipad and accurate enough for closing the vision-based control loop.