Realization of fractional-order controllers: analysis, synthesis and application to the velocity control of a servo system

The synthesis and application of fractional-order controllers is now an active research field. This article investigates the use of fractional-order PID controllers in the velocity control of an experimental modular servo system. The systern consists of a digital servomechanism and open-architecture software environment for real-time control experiments using MATLAB/Simulink. Different tuning methods will be employed, such as heuristics based on the well-known Ziegler Nichols rules, techniques based on Bode’s ideal transfer function and optimization tuning methods. Experimental responses obtained from the application of the several fractional-order controllers are presented and analyzed. The effectiveness and superior performance of the proposed algorithms are also compared with classical integer-order PID controllers.

Fractional control of legged robots

Fractional calculus (FC) is being used in several distinct areas of science and engineering, being recognized its ability to yield a superior modelling and control in many dynamical systems. This article illustrates the application of FC in the area of robot control. A Fractional Order PDμ controller is proposed for the control of an hexapod robot with 3 dof legs. It is demonstrated the superior performance of the system by using the FC concepts.

Fractional control of dynamic systems

The concepts involved with fractional calculus (FC) theory are applied in almost all areas of science and engineering. Its ability to yield superior modeling and control in many dynamical systems is well recognized. In this article, we will introduce the fundamental aspects associated with the application of FC to the control of dynamic systems.

Control and dynamics of fractional order systems

Fractional Calculus (FC) goes back to the beginning of the theory of differential calculus. Nevertheless, the application of FC just emerged in the last two decades due to the progress in the area of nonlinear dynamics. This article discusses several applications of fractional calculus in science and engineering, namely: the control of heat systems, the tuning of PID controllers based on fractional calculus concepts and the dynamics in hexapod locomotion.

Fixed point transformations in the adaptive control of fractional-order MIMO systems

Though the formal mathematical idea of introducing noninteger order derivatives can be traced from the 17th century in a letter by L’Hospital in which he asked Leibniz what the meaning of D n y if n = 1/2 would be in 1695 [1], it was better outlined only in the 19th century [2, 3, 4]. Due to the lack of clear physical interpretation their first applications in physics appeared only later, in the 20th century, in connection with visco-elastic phenomena [5, 6]. The topic later obtained quite general attention [7, 8, 9], and also found new applications in material science [10], analysis of earth-quake signals [11], control of robots [12], and in the description of diffusion [13], etc.

Application of fractional algorithms in the control of a robotic bird

In this paper, it is studied the dynamics of the robotic bird in terms of time response and robustness. It is analyzed the wing angle of attack and the velocity of the bird, the tail influence, the gliding flight and the flapping flight. The results are positive for the construction of flying robots. The development of computational simulation based on the dynamic of the robotic bird should allow testing strategies and different algorithms of control such as integer and fractional controllers.

Effect of fractional orders in the velocity control of a servo system

The application of fractional-order PID controllers is now an active field of research. This article investigates the effect of fractional (derivative and integral) orders upon system's performance in the velocity control of a servo system. The servo system consists of a digital servomechanism and an open-architecture software environment for real-time control experiments using MATLAB/Simulink tools. Experimental responses are presented and analyzed, showing the effectiveness of fractional controllers. Comparison with classical PID controllers is also investigated.

Hand gesture recognition system based in computer vision and machine learning : applications on human-machine interaction

Sendo uma forma natural de interação homem-máquina, o reconhecimento de gestos implica uma forte componente de investigação em áreas como a visão por computador e a aprendizagem computacional. O reconhecimento gestual é uma área com aplicações muito diversas, fornecendo aos utilizadores uma forma mais natural e mais simples de comunicar com sistemas baseados em computador, sem a necessidade de utilização de dispositivos extras. Assim, o objectivo principal da investigação na área de reconhecimento de gestos aplicada à interacção homemmáquina é o da criação de sistemas, que possam identificar gestos específicos e usálos para transmitir informações ou para controlar dispositivos. Para isso as interfaces baseados em visão para o reconhecimento de gestos, necessitam de detectar a mão de forma rápida e robusta e de serem capazes de efetuar o reconhecimento de gestos em tempo real. Hoje em dia, os sistemas de reconhecimento de gestos baseados em visão são capazes de trabalhar com soluções específicas, construídos para resolver um determinado problema e configurados para trabalhar de uma forma particular. Este projeto de investigação estudou e implementou soluções, suficientemente genéricas, com o recurso a algoritmos de aprendizagem computacional, permitindo a sua aplicação num conjunto alargado de sistemas de interface homem-máquina, para reconhecimento de gestos em tempo real. A solução proposta, Gesture Learning Module Architecture (GeLMA), permite de forma simples definir um conjunto de comandos que pode ser baseado em gestos estáticos e dinâmicos e que pode ser facilmente integrado e configurado para ser utilizado numa série de aplicações. É um sistema de baixo custo e fácil de treinar e usar, e uma vez que é construído unicamente com bibliotecas de código. As experiências realizadas permitiram mostrar que o sistema atingiu uma precisão de 99,2% em termos de reconhecimento de gestos estáticos e uma precisão média de 93,7% em termos de reconhecimento de gestos dinâmicos. Para validar a solução proposta, foram implementados dois sistemas completos. O primeiro é um sistema em tempo real capaz de ajudar um árbitro a arbitrar um jogo de futebol robótico. A solução proposta combina um sistema de reconhecimento de gestos baseada em visão com a definição de uma linguagem formal, o CommLang Referee, à qual demos a designação de Referee Command Language Interface System (ReCLIS). O sistema identifica os comandos baseados num conjunto de gestos estáticos e dinâmicos executados pelo árbitro, sendo este posteriormente enviado para um interface de computador que transmite a respectiva informação para os robôs. O segundo é um sistema em tempo real capaz de interpretar um subconjunto da Linguagem Gestual Portuguesa. As experiências demonstraram que o sistema foi capaz de reconhecer as vogais em tempo real de forma fiável. Embora a solução implementada apenas tenha sido treinada para reconhecer as cinco vogais, o sistema é facilmente extensível para reconhecer o resto do alfabeto. As experiências também permitiram mostrar que a base dos sistemas de interação baseados em visão pode ser a mesma para todas as aplicações e, deste modo facilitar a sua implementação. A solução proposta tem ainda a vantagem de ser suficientemente genérica e uma base sólida para o desenvolvimento de sistemas baseados em reconhecimento gestual que podem ser facilmente integrados com qualquer aplicação de interface homem-máquina. A linguagem formal de definição da interface pode ser redefinida e o sistema pode ser facilmente configurado e treinado com um conjunto de gestos diferentes de forma a serem integrados na solução final.

On the fractional order control of heat systems

The differentiation of non-integer order has its origin in the seventeenth century, but only in the last two decades appeared the first applications in the area of control theory. In this paper we consider the study of a heat diffusion system based on the application of the fractional calculus concepts. In this perspective, several control methodologies are investigated namely the fractional PID and the Smith predictor. Extensive simulations are presented assessing the performance of the proposed fractional-order algorithms.

Interface caligráfica de escrita no ar

Na atualidade, está a emergir um novo paradigma de interação, designado por Natural User Interface (NUI) para reconhecimento de gestos produzidos com o corpo do utilizador. O dispositivo de interação Microsoft Kinect foi inicialmente concebido para controlo de videojogos, para a consola Xbox360. Este dispositivo demonstra ser uma aposta viável para explorar outras áreas, como a do apoio ao processo de ensino e de aprendizagem para crianças do ensino básico. O protótipo desenvolvido visa definir um modo de interação baseado no desenho de letras no ar, e realizar a interpretação dos símbolos desenhados, usando os reconhecedores de padrões Kernel Discriminant Analysis (KDA), Support Vector Machines (SVM) e $N. O desenvolvimento deste projeto baseou-se no estudo dos diferentes dispositivos NUI disponíveis no mercado, bibliotecas de desenvolvimento NUI para este tipo de dispositivos e algoritmos de reconhecimento de padrões. Com base nos dois elementos iniciais, foi possível obter uma visão mais concreta de qual o hardware e software disponíveis indicados à persecução do objetivo pretendido. O reconhecimento de padrões constitui um tema bastante extenso e complexo, de modo que foi necessária a seleção de um conjunto limitado deste tipo de algoritmos, realizando os respetivos testes por forma a determinar qual o que melhor se adequava ao objetivo pretendido. Aplicando as mesmas condições aos três algoritmos de reconhecimento de padrões permitiu avaliar as suas capacidades e determinar o $N como o que apresentou maior eficácia no reconhecimento. Por último, tentou-se averiguar a viabilidade do protótipo desenvolvido, tendo sido testado num universo de elementos de duas faixas etárias para determinar a capacidade de adaptação e aprendizagem destes dois grupos. Neste estudo, constatou-se um melhor desempenho inicial ao modo de interação do grupo de idade mais avançada. Contudo, o grupo mais jovem foi revelando uma evolutiva capacidade de adaptação a este modo de interação melhorando progressivamente os resultados.

Sistema visual para Ground Truth de sistemas autónomos

Este trabalho visa contribuir para o desenvolvimento de um sistema de visão multi-câmara para determinação da localização, atitude e seguimento de múltiplos objectos, para ser utilizado na unidade de robótica do INESCTEC, e resulta da necessidade de ter informação externa exacta que sirva de referência no estudo, caracterização e desenvolvimento de algoritmos de localização, navegação e controlo de vários sistemas autónomos. Com base na caracterização dos veículos autónomos existentes na unidade de robótica do INESCTEC e na análise dos seus cenários de operação, foi efectuado o levantamento de requisitos para o sistema a desenvolver. Foram estudados os fundamentos teóricos, necessários ao desenvolvimento do sistema, em temas relacionados com visão computacional, métodos de estimação e associação de dados para problemas de seguimento de múltiplos objectos . Foi proposta uma arquitectura para o sistema global que endereça os vários requisitos identi cados, permitindo a utilização de múltiplas câmaras e suportando o seguimento de múltiplos objectos, com ou sem marcadores. Foram implementados e validados componentes da arquitectura proposta e integrados num sistema para validação, focando na localização e seguimento de múltiplos objectos com marcadores luminosos à base de Light-Emitting Diodes (LEDs). Nomeadamente, os módulos para a identi cação dos pontos de interesse na imagem, técnicas para agrupar os vários pontos de interesse de cada objecto e efectuar a correspondência das medidas obtidas pelas várias câmaras, método para a determinação da posição e atitude dos objectos, ltro para seguimento de múltiplos objectos. Foram realizados testes para validação e a nação do sistema implementado que demonstram que a solução encontrada vai de encontro aos requisitos, e foram identi cadas as linhas de trabalho para a continuação do desenvolvimento do sistema global.

Complex dynamics in the trajectory control of redundant manipulators

Redundant manipulators allow the trajectory optimization, the obstacle avoidance, and the resolution of singularities. For this type of manipulators, the kinematic control algorithms adopt generalized inverse matrices that may lead to unpredictable responses. Motivated by these problems this paper studies the complexity revealed by the trajectory planning scheme when controlling redundant manipulators. The results reveal fundamental properties of the chaotic phenomena and give a deeper insight towards the development of superior trajectory control algorithms.

Integer vs. fractional order control of a hexapod robot

This paper studies the performance of integer and fractional order controllers in a hexapod robot with joints at the legs having viscous friction and flexibility. For that objective the robot prescribed motion is characterized in terms of several locomotion variables. The controller performance is analised through the Nyquist stability criterion. A set of model-based experiments reveals the influence of the different controller implementations upon the proposed metrics.

Approximating fractional derivatives in the perspective of system control

The theory of fractional calculus goes back to the beginning of the theory of differential calculus, but its application received attention only recently. In the area of automatic control some work was developed, but the proposed algorithms are still in a research stage. This paper discusses a novel method, with two degrees of freedom, for the design of fractional discrete-time derivatives. The performance of several approximations of fractional derivatives is investigated in the perspective of nonlinear system control.

Fractional control of heat diffusion systems

The concept of differentiation and integration to non-integer order has its origins in the seventeen century. However, only in the second-half of the twenty century appeared the first applications related to the area of control theory. In this paper we consider the study of a heat diffusion system based on the application of the fractional calculus concepts. In this perspective, several control methodologies are investigated and compared. Simulations are presented assessing the performance of the proposed fractional-order algorithms.