Robust Adaptive Control with Applications to Multi-Agent Systems and Mobile Robotics

This thesis deals with robust adaptive control and its applications, and it is divided into three main parts. The first part is about the design of robust estimation algorithms based on recursive least squares. First, we present an estimator for the frequencies of biased multi-harmonic signals, and then an algorithm for distributed estimation of an unknown parameter over a network of adaptive agents. In the second part of this thesis, we consider a cooperative control problem over uncertain networks of linear systems and Kuramoto systems, in which the agents have to track the reference generated by a leader exosystem. Since the reference signal is not available to each network node, novel distributed observers are designed so as to reconstruct the reference signal locally for each agent, and therefore decentralizing the problem. In the third and final part of this thesis, we consider robust estimation tasks for mobile robotics applications. In particular, we first consider the problem of slip estimation for agricultural tracked vehicles. Then, we consider a search and rescue application in which we need to drive an unmanned aerial vehicle as close as possible to the unknown (and to be estimated) position of a victim, who is buried under the snow after an avalanche event. In this thesis, robustness is intended as an input-to-state stability property of the proposed identifiers (sometimes referred to as adaptive laws), with respect to additive disturbances, and relative to a steady-state trajectory that is associated with a correct estimation of the unknown parameter to be found.

Sistema de busca e salvamento baseado em múltiplos veículos terrestres

Esta dissertação visa o desenvolvimento de um sistema de busca e salvamento baseado em múltiplos veículos terrestres, utilizando para tal os veículos LINCE do Laboratório de Sistemas Autónomos. Tendo como principal propósito conferir autonomia aos veículos, foram estudados possíveis cenários de actuação, para determinar as principais funcionalidades requeridas do sistema. Foram também estudadas metodologias de análise e caracterização de sistemas multirobóticos, baseadas no estado da arte existente, e foi elaborada a arquitectura conceptual do sistema e dos veículos a desenvolver. A preparação dos veículos abordou o estudo das possíveis soluções sensoriais e de actuação, e o desenvolvimento de uma arquitectura de hardware capaz de interligar todos os periféricos dos mesmos. Foram adaptados novos sensores e actuadores, e desenvolvidos alguns desses sensores. Para a interligação e manutenção dos mesmos foram ainda desenvolvidos novos periféricos de interface e controlo, e periféricos de gestão de energia. Por fim, foi ainda adaptado um gestor de missões nos veículos, capaz de receber a especificação das mesmas.

Desenvolvimento de módulos para planeamento e controlo de execução de missões de veículos aéreos não tripulados

Com a evolução da tecnologia, os UAVs (unmanned aerial vehicles) são cada vez mais utilizados, não só em missões de risco para o ser Humano, mas também noutro tipo de missões, como é o caso de missões de inspeção, vigilância, busca e salvamento. Isto devese ao baixo custo das plataformas assim como à sua enorme fiabilidade e facilidade de operação. Esta dissertação surge da necessidade de aumentar a autonomia dos UAVs do projeto PITVANT (Projeto de Investigação e Tecnologia em Veículos Aéreos Não Tripulados), projeto de investigação colaborativa entre a AFA (Academia da Força Aérea) e a FEUP (Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto), relativamente ao planeamento de trajetórias entre dois pontos no espaço, evitando os obstáculos que intersetem o caminho. Para executar o planeamento da trajetória mais curta entre dois pontos, foi implementado o algoritmo de pesquisa A*, por ser um algoritmo de pesquisa de soluções ótimas. A área de pesquisa é decomposta em células regulares e o centro das células são os nós de pesquisa do A*. O tamanho de cada célula é dependente da dinâmica de cada aeronave. Para que as aeronaves não colidam com os obstáculos, foi desenvolvido um método numérico baseado em relações trigonométricas para criar uma margem de segurança em torno de cada obstáculo. Estas margens de segurança são configuráveis, sendo o seu valor por defeito igual ao raio mínimo de curvatura da aeronave à velocidade de cruzeiro. De forma a avaliar a sua escalabilidade, o algoritmo foi avaliado com diferentes números de obstáculos. As métricas utilizadas para avaliação do algoritmo foram o tempo de computação do mesmo e o comprimento do trajeto obtido. Foi ainda comparado o desempenho do algoritmo desenvolvido com um algoritmo já implementado, do tipo fast marching.

On a test-bed application for the ART-WiSe framework

This report describes the development of a Test-bed Application for the ART-WiSe Framework with the aim of providing a means of access, validate and demonstrate that architecture. The chosen application is a kind of pursuit-evasion game where a remote controlled robot, navigating through an area covered by wireless sensor network (WSN), is detected and continuously tracked by the WSN. Then a centralized control station takes the appropriate actions for a pursuit robot to chase and “capture” the intruder one. This kind of application imposes stringent timing requirements to the underlying communication infrastructure. It also involves interesting research problems in WSNs like tracking, localization, cooperation between nodes, energy concerns and mobility. Additionally, it can be easily ported into a real-world application. Surveillance or search and rescue operations are two examples where this kind of functionality can be applied. This is still a first approach on the test-bed application and this development effort will be continuously pushed forward until all the envisaged objectives for the Art-WiSe architecture become accomplished.

Planeamento de Trajetória para Operações de Busca e Salvamento com UAVs

Os sistemas autónomos trazem como mais valia aos cenários de busca e salvamento a possibilidade de minimizar a presença de Humanos em situações de perigo e a capacidade de aceder a locais de difícil acesso. Na dissertação propõe-se endereçar novos métodos para perceção e navegação de veículos aéreos não tripulados (UAV), tendo como foco principal o planeamento de trajetórias e deteção de obstáculos. No que respeita à perceção foi desenvolvido um método para gerar clusters tendo por base os voxels gerados pelo Octomap. Na área de navegação, foram desenvolvidos dois novos métodos de planeamento de trajetórias, GPRM (Grid Probabilistic Roadmap) e PPRM (Particle Probabilistic Roadmap), que tem como método base para o seu desenvolvimento o PRM. O primeiro método desenvolvido, GPRM, espalha as partículas numa grid pré-definida, construindo posteriormente o roadmap na área determinada pela grid e com isto estima o trajeto mais curto até ao ponto destino. O segundo método desenvolvido, PPRM, espalha as partículas pelo cenário de aplicação, gera o roadmap considerando o mapa total e atribui uma probabilidade que irá permitir definir a trajetória otimizada. Para analisar a performance de cada método em comparação com o PRM, efetua-se a sua avaliação em três cenários distintos com recurso ao simulador MORSE.

eVentos 2 - Autonomous sailboat control

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

NH90-helikopterin soveltuvuus Personnel Recovery –operaation suorittamiseen

Tutkielmassa tarkastellaan Puolustusvoimien käyttämän NH90-kuljetushelikopterin soveltuvuutta Personnel Recovery -operaation CSAR-menetelmän kuljetusalustaksi. Tutkimuksen tarkoituksena on selvittää, kuinka hyvin NH90-helikopteri vastaa Naton asettamiin vaatimuksiin taistelukentän etsintä- ja pelastustoimintaa suorittavalle kulje-tushelikopterille vertaamalla NH90-helikopterin laitteiden ja järjestelmien tuottamaa suorituskykyä Naton vaatimuksiin. Kyseessä on laadullinen tutkimus, jonka tutkimusstrategiana on käytetty tapaustutki-musta. Tutkielman lähdeaineiston rungon muodostavat kirjalliset lähteet, joita on tut-kittu käyttämällä aineistolähtöistä sisällönanalyysia. Tutkimuksen johtopäätökset on saatu vertailemalla eri alalukujen tuloksia keskenään. Lähdeaineistoista merkittävim-piä ovat Naton Personnel Recovery -toimintaa käsittelevät doktriinit sekä NH90-helikopteria ja sen ominaisuuksia käsittelevät valmistajan sekä Helikopteripataljoonan julkaisemat tekstit. Tärkeiden ominaisuuksien kohdalla tietoa on pyritty keräämään useammasta paikasta, ja näin parantamaan tutkielman luotettavuutta. Tutkimus osoittaa, että NH90-helikopteri soveltuu sodan ja kriisinaikaiseen etsintä- ja pelastustoimintaan hyvin. NH90-helikopterin suunnittelussa on pyritty ottamaan kat-tavasti huomioon nykyaikaisen sodankäynnin kuljetushelikoptereita vastaan asettamat uhkakuvat, jonka vuoksi se vastaa Naton asettamiin vaatimuksiin erinomaisesti. On kuitenkin huomioitava, että kyseessä on hyvin tuore helikopterityyppi, jonka todelli-nen käytännön testi karuissa olosuhteissa on vielä näkemättä. Tästä huolimatta voi-daan todeta, että NH90 on suunniteltu uhka-alueella toimivaksi monipuoliseksi ja muuntautumiskykyiseksi kuljetushelikopteriksi, jolla voidaan toteuttaa haastavia ope-raatioita vaikeissakin olosuhteissa. Vaikka tutkimus on hyvin teoreettinen, voidaan sen tuloksia pitää realistisina. Tutki-mus toimii hyvänä perustana etsintä- ja pelastustoimintaan liittyvissä asioissa, mutta aiheen laajuuden vuoksi jatkotutkimusta tarvitaan, jotta aiheeseen voidaan paneutua syvällisemmin, ja asiasta voidaan tehdä merkittäviä johtopäätöksiä.

Estudio de seguimiento de las audiometrías de los años 2009, 2010 y 2011 de los pilotos de las fuerzas militares

La audición es el segundo mecanismo sensorial más importante después de la visión para obtener información durante la operación de una aeronave. Les permite a los pilotos percibir, procesar identificar los sonidos del ambiente que los rodea. Así necesita oír bien tanto en vuelo como en tierra, especialmente entre 500 y 3000 Hz para la recepción del lenguaje hablado y de las señales auditivas. Objetivo: Determinar los cambios progresivos en el tiempo y las frecuencias auditivas que se afectan en las audiometrías de los pilotos militares de las fuerzas militares en los años 2009, 2010 y 2011. Material y Métodos: Se trata de un estudio longitudinal de cohorte en el cual se identificará el comportamiento de las audiometrías de la población de pilotos de las fuerzas militares de Colombia en los años 2009, 2010 y 2011. Se hará una revisión retrospectiva de dichas audiometrías. Para dicho fin se tomó la población de pilotos de fuerzas militares que fueron distribuidos en grupos de pilotos de aeronave de ala fija que corresponden a 47 pilotos y ala rotatoria que son 155. Conclusiones: Se encontró que la frecuencia mas alterada en la población total fue la de 6000 Hz, que en lo pilotos de ala fija las frecuencias más afectadas fueron las de 4000 Hz y la de 6000Hz, la frecuencia más afectada en los pilotos de ala rotatoria fueron las de 4000 Hz, 6000 Hz y 8000 Hz, con lo que se concluye que la exposición en los pilotos afecta las frecuencias altas en las audiometrías. Se observó una relación con el número de horas de vuelo y las alteraciones audiométricas encontrándose una alteración en los pilotos entre 1000 y 4000 horas de vuelo en las frecuencias de 4000 Hz, 6000 Hz y 8000 Hz y una alteración de las todas las frecuencias en aquellos pilotos con más de 5000 horas de vuelo en el año 2009, presentando posterior recuperación en los años posteriores sin poder determinar en este estudio las causas de dicha recuperación. Los pilotos de ala rotatoria presentaron un incremento sostenido en todas las frecuencias en comparación con los pilotos de ala fija.

Sistema de chamada seletiva digital para controle de comunicações por ondas terrestres no Serviço Móvel Marítimo

As comunicações marítimas são ainda fortemente efetivadas por meio de circuitos rádio convencionais empregando ondas terrestres, em bandas de MF a VHF, especialmente após a introdução de sistemática de chamadas seletivas digitais. Entretanto, um número significativo de procedimentos operacionais nas radiocomunicações ainda depende de intervenções de operador, reduzindo sua eficiência e dando margem ao cometimento de erros como emissão de falsos alarmes de socorro. Esses erros têm sido frequentes e têm ocasionado muito desvio de atenção das ocorrências reais e perdas de tempo nas instâncias que cuidam das ações de busca e salvamento no mar, afetando, seriamente, a confiabilidade no processo de comunicações terrestres. Em vista disto, propõem-se, nesta pesquisa, sistemáticas para controle das emissões de falsos alertas de socorro, nas transmissões por ondas terrestres, e para melhorar o processo vigente de transmissão de chamadas. As chamadas de socorro recebidas pelas estações costeiras são identificadas por estas, de acordo com as estações que as emitiu, objetivando subsidiar ações corretivas por instâncias competenrtes, para inibição de novas ocorrências. Paralelamente, maior nível de automação é proposto para os processos de chamadas, reduzindo-se a dependência de procedimentos manuais e, assim, as possibilidades de emissões equivocadas, além de melhor aproveitar o conceito de chamada seletiva do sistema vigente. Tais proposições dão maior eficiência e confiabilidade às comunições terrestres, úteis especialmente nas situações de emergências, sem adicionar significativas demandas operacionais nas estações, incentivando e melhorando as condições de comunicações no SMM por ondas terrestres.

Control por modos deslizantes como estrategia de navegación en una flota de robots

En esta tesis se presenta el desarrollo de un esquema de cooperación entre vehículos terrestres (UGV) y aéreos (UAV) no tripulados, que sirve de base para conformar dos flotas de robots autónomos (denominadas FRACTAL y RoMA). Con el fin de comprobar, en diferentes escenarios y con diferente tareas, la validez de las estrategias de coordinación y cooperación propuestas en la tesis se utilizan los robots de la flota FRACTAL, que sirven como plataforma de prueba para tareas como el uso de vehículos aéreos y terrestres para apoyar labores de búsqueda y rescate en zonas de emergencia y la cooperación de una flota de robots para labores agrícolas. Se demuestra además, que el uso de la técnica de control no lineal conocida como Control por Modos Deslizantes puede ser aplicada no solo para conseguir la navegación autónoma individual de un robot aéreo o terrestre, sino también en tareas que requieren la navegación coordinada y sin colisiones de varios robots en un ambiente compartido. Para esto, se conceptualiza teóricamente el uso de la técnica de Control por Modos Deslizantes como estrategia de coordinación entre robots, extendiendo su aplicación a robots no-holonómicos en R2 y a robots aéreos en el espacio tridimensional. Después de dicha contextualización teórica, se analizan las condiciones necesarias para determinar la estabilidad del sistema multi-robot controlado y, finalmente, se comprueban las características de estabilidad y robustez ofrecidas por esta técnica de control. Tales comprobaciones se hacen simulando la navegación segura y eficiente de un grupo de UGVs para la detección de posibles riesgos ambientales, aprovechando la información aportada por un UAV. Para estas simulaciones se utilizan los modelos matemáticos de robots de la flota RoMA. Estas tareas coordinadas entre los robots se hacen posibles gracias a la efectividad, estabilidad y robustez de las estrategias de control que se desarrollan como núcleo fundamental de este trabajo de investigación. ABSTRACT This thesis presents the development of a cooperation scheme between unmanned ground (UGV) and aerial (UAV) vehicles. This scheme is the basis for forming two fleets of autonomous robots (called FRACTAL and RoMA). In order to assess, in different settings and on different tasks, the validity of the coordination and cooperation strategies proposed in the thesis, the FRACTAL fleet robots serves as a test bed for tasks like using coordinated aerial and ground vehicles to support search and rescue work in emergency scenarios or cooperation of a fleet of robots for agriculture. It is also shown that using the technique of nonlinear control known as Sliding Modes Control (SMC) can be applied not only for individual autonomous navigation of an aircraft or land robot, but also in tasks requiring the coordinated navigation of several robots, without collisions, in a shared environment. To this purpose, a strategy of coordination between robots using Sliding Mode Control technique is theoretically conceptualized, extending its application to non-holonomic robots in R2 and aerial robots in three-dimensional space. After this theoretical contextualization, the stability conditions of multi-robot system are analyzed, and finally, the stability and robustness characteristics are validated. Such validations are made with simulated experiments about the safe and efficient navigation of a group of UGV for the detection of possible environmental hazards, taking advantage of the information provided by a UAV. This simulations are made using mathematical models of RoMA fleet robots. These coordinated tasks of robots fleet are made possible thanks to the effectiveness, stability and robustness of the control strategies developed as core of this research.

COSPAS/SARSAT.

"Publication date: August 1986"--P. [2] of cover.

ENABLING HARDWARE TECHNOLOGIES FOR AUTONOMY IN TINY ROBOTS: CONTROL, INTEGRATION, ACTUATION

The last two decades have seen many exciting examples of tiny robots from a few cm3 to less than one cm3. Although individually limited, a large group of these robots has the potential to work cooperatively and accomplish complex tasks. Two examples from nature that exhibit this type of cooperation are ant and bee colonies. They have the potential to assist in applications like search and rescue, military scouting, infrastructure and equipment monitoring, nano-manufacture, and possibly medicine. Most of these applications require the high level of autonomy that has been demonstrated by large robotic platforms, such as the iRobot and Honda ASIMO. However, when robot size shrinks down, current approaches to achieve the necessary functions are no longer valid. This work focused on challenges associated with the electronics and fabrication. We addressed three major technical hurdles inherent to current approaches: 1) difficulty of compact integration; 2) need for real-time and power-efficient computations; 3) unavailability of commercial tiny actuators and motion mechanisms. The aim of this work was to provide enabling hardware technologies to achieve autonomy in tiny robots. We proposed a decentralized application-specific integrated circuit (ASIC) where each component is responsible for its own operation and autonomy to the greatest extent possible. The ASIC consists of electronics modules for the fundamental functions required to fulfill the desired autonomy: actuation, control, power supply, and sensing. The actuators and mechanisms could potentially be post-fabricated on the ASIC directly. This design makes for a modular architecture. The following components were shown to work in physical implementations or simulations: 1) a tunable motion controller for ultralow frequency actuation; 2) a nonvolatile memory and programming circuit to achieve automatic and one-time programming; 3) a high-voltage circuit with the highest reported breakdown voltage in standard 0.5 μm CMOS; 4) thermal actuators fabricated using CMOS compatible process; 5) a low-power mixed-signal computational architecture for robotic dynamics simulator; 6) a frequency-boost technique to achieve low jitter in ring oscillators. These contributions will be generally enabling for other systems with strict size and power constraints such as wireless sensor nodes.