Design of the ISePorto robocup Middle-Size League Robotic Soccer Team: Control, Localisation and Coordination

Proceedings of the 10th Mediterranean Conference on Control and Automation - MED2002 Lisbon, Portugal, July 9-12, 2002

Control and Localisation for the ISePorto Robotic Soccer Team

International Conference on Advanced Robotics, Coimbra, Portugal, Julho 2003

Fractional Calculus: Application in modeling and control

This contribution introduces the fractional calculus (FC) fundamental mathematical aspects and discuses some of their consequences. Based on the FC concepts, the chapter reviews the main approaches for implementing fractional operators and discusses the adoption of FC in control systems. Finally are presented some applications in the areas of modeling and control, namely fractional PID, heat diffusion systems, electromagnetism, fractional electrical impedances, evolutionary algorithms, robotics, and nonlinear system control.

Modeling and Control of a Dragonfly-Like Robot

Dragonflies demonstrate unique and superior flight performances than most of the other insect species and birds. They are equipped with two pairs of independently controlled wings granting an unmatchable flying performance and robustness. In this paper it is studied the dynamics of a dragonfly-inspired robot. The system performance is analyzed in terms of time response and robustness. The development of computational simulation based on the dynamics of the robotic dragonfly allows the test of different control algorithms. We study different movement, the dynamics and the level of dexterity in wing motion of the dragonfly. The results are positive for the construction of flying platforms that effectively mimic the kinematics and dynamics of dragonflies and potentially exhibit superior flight performance than existing flying platforms.

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.

Fractional Dynamics and Control of Distributed Parameter 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 chaos that revealed subtle relationships with the FC concepts. In the field of dynamical systems theory some work has been carried out but the proposed models and algorithms are still in a preliminary stage of establishment. Having these ideas in mind, the paper discusses a FC perspective in the study of the dynamics and control of some distributed parameter systems.

Improved Numerical Simulation for a Novel Adaptive Control Using Fractional Order Derivatives

A novel control technique is investigated in the adaptive control of a typical paradigm, an approximately and partially modeled cart plus double pendulum system. In contrast to the traditional approaches that try to build up ”complete” and ”permanent” system models it develops ”temporal” and ”partial” ones that are valid only in the actual dynamic environment of the system, that is only within some ”spatio-temporal vicinity” of the actual observations. This technique was investigated for various physical systems via ”preliminary” simulations integrating by the simplest 1st order finite element approach for the time domain. In 2004 INRIA issued its SCILAB 3.0 and its improved numerical simulation tool ”Scicos” making it possible to generate ”professional”, ”convenient”, and accurate simulations. The basic principles of the adaptive control, the typical tools available in Scicos, and others developed by the authors, as well as the improved simulation results and conclusions are presented in the contribution.

Modelling and Control of Freeway Traffic

This paper presents the most recent developments of the Simulator of Intelligent Transportation Systems (SITS). The SITS is based on a microscopic simulation approach to reproduce real traffic conditions in an urban or non-urban network. In order to analyse the quality of the microscopic traffic simulator SITS a benchmark test was performed. A dynamical analysis of several traffic phenomena, applying a new modelling formalism based on the embedding of statistics and Laplace transform, is then addressed. The paper presents also a new traffic control concept applied to a freeway traffic system.

Cascade Control of a Hexapod Robot

6th International Conference on Climbing and Walking Robots and the Support Technologies for Mobile Machines, Catania, Italy, 17-19 September

System Modeling and Control Through Fractional-Order Algorithms

The theory of fractional calculus goes back to the beginning of thr throry of differential calculus but its inherent complexity postponed the applications of the associated concepts. In the last decade the progress in the areas of chaos and fractals revealed subtle relationships with the fractional calculus leading to an increasing interest in the development of the new paradigm. In the area of automaticcontrol preliminary work has already been carried out but the proposed algorithms are restricted to the frequency domain. The paper discusses the design of fractional-order discrete-time controllers. The algorithms studied adopt the time domein, which makes them suited for z-transform analusis and discrete-time implementation. The performance of discrete-time fractional-order controllers with linear and non-linear systems is also investigated.

Chaotic Phenomena and Performance Optimization in the Trajectory Control of Redundant Manipulators

Redundant manipulators have some advantages when compared with classical arms because they allow the trajectory optimization, both on the free space and on the presence of abstacles, and the resolution of singularities. For this type of manipulators, several kinetic algorithms adopt generalized inverse matrices. In this line of thought, the generalized inverse control scheme is tested through several experiments that reveal the difficulties that often arise. Motivated by theseproblems this paper presents a new method that ptimizes the manipulability through a least squre polynomialapproximation to determine the joints positions. Moreover, the article studies influence on the dynamics, when controlling redundant and hyper-redundant manipulators. The experiment confirm the superior performance of the proposed algorithm for redundant and hyper-redundant manipulators, revealing several fundamental properties of the chaotic phenomena, and gives a deeper insight towards the future development of superior trajectory control algorithms.

Neural control of an autonomous robot

This article aims to apply the concepts associated with artificial neural networks (ANN) in the control of an autonomous robot system that is intended to be used in competitions of robots. The robot was tested in several arbitrary paths in order to verify its effectiveness. The results show that the robot performed the tasks with success. Moreover, in the case of arbitrary paths the ANN control outperforms other methodologies, such as fuzzy logic control (FLC).

Formation Control Driven by Cooperative Object Tracking

In this paper we introduce a formation control loop that maximizes the performance of the cooperative perception of a tracked target by a team of mobile robots, while maintaining the team in formation, with a dynamically adjustable geometry which is a function of the quality of the target perception by the team. In the formation control loop, the controller module is a distributed non-linear model predictive controller and the estimator module fuses local estimates of the target state, obtained by a particle filter at each robot. The two modules and their integration are described in detail, including a real-time database associated to a wireless communication protocol that facilitates the exchange of state data while reducing collisions among team members. Simulation and real robot results for indoor and outdoor teams of different robots are presented. The results highlight how our method successfully enables a team of homogeneous robots to minimize the total uncertainty of the tracked target cooperative estimate while complying with performance criteria such as keeping a pre-set distance between the teammates and the target, avoiding collisions with teammates and/or surrounding obstacles.

Reconstrução de Superfícies usando um Scanner 3D de Luz Estruturada

Ao longo dos últimos anos, os scanners 3D têm tido uma utilização crescente nas mais variadas áreas. Desde a Medicina à Arqueologia, passando pelos vários tipos de indústria, ´e possível identificar aplicações destes sistemas. Essa crescente utilização deve-se, entre vários factores, ao aumento dos recursos computacionais, à simplicidade e `a diversidade das técnicas existentes, e `as vantagens dos scanners 3D comparativamente com outros sistemas. Estas vantagens são evidentes em áreas como a Medicina Forense, onde a fotografia, tradicionalmente utilizada para documentar objectos e provas, reduz a informação adquirida a duas dimensões. Apesar das vantagens associadas aos scanners 3D, um factor negativo é o preço elevado. No âmbito deste trabalho pretendeu-se desenvolver um scanner 3D de luz estruturada económico e eficaz, e um conjunto de algoritmos para o controlo do scanner, para a reconstrução de superfícies de estruturas analisadas, e para a validação dos resultados obtidos. O scanner 3D implementado ´e constituído por uma câmara e por um projector de vídeo ”off-the-shelf”, e por uma plataforma rotativa desenvolvida neste trabalho. A função da plataforma rotativa consiste em automatizar o scanner de modo a diminuir a interação dos utilizadores. Os algoritmos foram desenvolvidos recorrendo a pacotes de software open-source e a ferramentas gratuitas. O scanner 3D foi utilizado para adquirir informação 3D de um crânio, e o algoritmo para reconstrução de superfícies permitiu obter superfícies virtuais do crânio. Através do algoritmo de validação, as superfícies obtidas foram comparadas com uma superfície do mesmo crânio, obtida por tomografia computorizada (TC). O algoritmo de validação forneceu um mapa de distâncias entre regiões correspondentes nas duas superfícies, que permitiu quantificar a qualidade das superfícies obtidas. Com base no trabalho desenvolvido e nos resultados obtidos, é possível afirmar que foi criada uma base funcional para o varrimento de superfícies 3D de estruturas, apta para desenvolvimento futuro, mostrando que é possível obter alternativas aos métodos comerciais usando poucos recursos financeiros.

Impacto da influência de um Sistema de Gestão Técnica Centralizada na redução dos custos de exploração de um edifício

É de conhecimento do meio, que os Sistemas de Gestão Técnica Centralizada (SGTC) são uma mais-valia para a redução de utilização de energia associados principalmente aos sistemas de Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado (AVAC) apesar das potencialidades serem abrangentes a outras áreas. No entanto, existe alguma lacuna quanto à quantificação dessa mais-valia, facto importante sobretudo para a alteração de mentalidades dos promotores e proprietários dos edifícios, que por falta de prova, normalmente apenas associam o SGTC a um investimento num serviço desnecessário. As potencialidades dos SGTC são muitas, a título de exemplo, redução na utilização de fontes de energia, gestão da manutenção de sistemas e equipamentos, análise de eficiências de equipamentos, entre muitas outras, sendo nesta dissertação estudado com mais profundidade a questão associada à diferença dos custos de exploração resultantes da utilização de energia num edifício por parte dos sistemas de AVAC, isto é, quais serão os ganhos na utilização da energia, associados ao sistema AVAC, que podem ser obtidos com a implementação de um SGTC. Para o efeito, utilizou-se os sistemas e equipamentos existentes no edifício ECOTERMOLAB, pertencente ao Instituto de Soldadura e Qualidade (ISQ), com o objetivo de verificar as diferenças de utilização de energia resultantes do funcionamento do edifício em normal atividade, isto é, o edifício com todos os seus sistemas operacionais, incluindo o SGTC, e o edifício em funcionamento sem o auxílio do SGTC, ou seja, todos os sistemas associados ao sistema AVAC em funcionamento em modo manual e sem recurso a variação de caudal na rede aeráulica e hidráulica. Em termos anuais, o ECOTERMOLAB consome, aproximadamente, cerca de 38,1 MWh de energia elétrica e 39,2 MWh de gás natural, o que representa uma utilização de energia primária de 14,4 tep/ano. Esta energia, representa um encargo financeiro anual de, aproximadamente, 9500€/ano, correspondente a 7000€/ano de energia elétrica e 2500€/ano de gás natural. Após a análise desenvolvida neste trabalho, conclui-se que o funcionamento do edifício sem controlo do sistema de AVAC por SGTC representaria em termos anuais a um aumento de, aproximadamente, 25,2 MWh e 6,2 MWh de energia elétrica e de gás natural, respetivamente. Em termos de energia primária, a diferença entre soluções origina um acréscimo na utilização de energia de 7,8 tep/ano o que representa um aumento de emissão de CO2 na ordem das 9,4 ton/ano. A avaliação económica, recaiu sobre a determinação de indicadores para avaliação da viabilidade de implementação de um SGTC, nomeadamente, o período de retorno simples, o valor atual líquido e a taxa interna de rentabilidade. Todos estes indicadores se revelaram positivos, apresentando um período de retorno ligeiramente superior a oito anos, um valor atual líquido positivo (8864,1€) e uma taxa interna de rentabilidade superior à taxa de custo de capital (11,2%).