Integrated architecture for vision-based indoor localization and mapping of a quadrotor micro-air vehicle

Atualmente os sistemas de pilotagem autónoma de quadricópteros estão a ser desenvolvidos de forma a efetuarem navegação em espaços exteriores, onde o sinal de GPS pode ser utilizado para definir waypoints de navegação, modos de position e altitude hold, returning home, entre outros. Contudo, o problema de navegação autónoma em espaços fechados sem que se utilize um sistema de posicionamento global dentro de uma sala, subsiste como um problema desafiante e sem solução fechada. Grande parte das soluções são baseadas em sensores dispendiosos, como o LIDAR ou como sistemas de posicionamento externos (p.ex. Vicon, Optitrack). Algumas destas soluções reservam a capacidade de processamento de dados dos sensores e dos algoritmos mais exigentes para sistemas de computação exteriores ao veículo, o que também retira a componente de autonomia total que se pretende num veículo com estas características. O objetivo desta tese pretende, assim, a preparação de um sistema aéreo não-tripulado de pequeno porte, nomeadamente um quadricóptero, que integre diferentes módulos que lhe permitam simultânea localização e mapeamento em espaços interiores onde o sinal GPS ´e negado, utilizando, para tal, uma câmara RGB-D, em conjunto com outros sensores internos e externos do quadricóptero, integrados num sistema que processa o posicionamento baseado em visão e com o qual se pretende que efectue, num futuro próximo, planeamento de movimento para navegação. O resultado deste trabalho foi uma arquitetura integrada para análise de módulos de localização, mapeamento e navegação, baseada em hardware aberto e barato e frameworks state-of-the-art disponíveis em código aberto. Foi também possível testar parcialmente alguns módulos de localização, sob certas condições de ensaio e certos parâmetros dos algoritmos. A capacidade de mapeamento da framework também foi testada e aprovada. A framework obtida encontra-se pronta para navegação, necessitando apenas de alguns ajustes e testes.

Marine Operations with the SWORDFISH Autonomous Surface Vehicle

IEEE Robótica 2007 - 7th Conference on Mobile Robots and Competitions, Paderne, Portugal 2007

An automated maneuver control framework for a remotely operated vehicle

OCEANS, 2001. MTS/IEEE Conference and Exhibition (Volume:2 )

Adaptation of an commercially available stabilised R/C helicopter to a fully autonomous surveillance UAV

This paper presents the development of an autonomous surveillance UAV that competed in the Ministry of Defence Grand Challenge 2008. In order to focus on higher-level mission control, the UAV is built upon an existing commercially available stabilised R/C helicopter platform. The hardware architecture is developed to allow for non-invasion integration with the existing stabilised platform, and to enable to the distributed processing of closed loop control and mission goals. The resulting control system proved highly successful and was capable of flying within 40knott gusts. The software and safety architectures were key to the success of the research and also hold the potential for use in the development of more complex system comprising of multiple UAVs.

Autonomous intelligent cruise control using a novel multiple-controller framework incorporating fuzzy-logic-based switching and tuning

This paper presents a novel intelligent multiple-controller framework incorporating a fuzzy-logic-based switching and tuning supervisor along with a generalised learning model (GLM) for an autonomous cruise control application. The proposed methodology combines the benefits of a conventional proportional-integral-derivative (PID) controller, and a PID structure-based (simultaneous) zero and pole placement controller. The switching decision between the two nonlinear fixed structure controllers is made on the basis of the required performance measure using a fuzzy-logic-based supervisor, operating at the highest level of the system. The supervisor is also employed to adaptively tune the parameters of the multiple controllers in order to achieve the desired closed-loop system performance. The intelligent multiple-controller framework is applied to the autonomous cruise control problem in order to maintain a desired vehicle speed by controlling the throttle plate angle in an electronic throttle control (ETC) system. Sample simulation results using a validated nonlinear vehicle model are used to demonstrate the effectiveness of the multiple-controller with respect to adaptively tracking the desired vehicle speed changes and achieving the desired speed of response, whilst penalising excessive control action. Crown Copyright (C) 2008 Published by Elsevier B.V. All rights reserved.

A New Control Architecture for Robust Controllers in Rear Electric Traction Passenger HEVs

It is well known that control systems are the core of electronic differential systems (EDSs) in electric vehicles (EVs)/hybrid HEVs (HEVs). However, conventional closed-loop control architectures do not completely match the needed ability to reject noises/disturbances, especially regarding the input acceleration signal incoming from the driver's commands, which makes the EDS (in this case) ineffective. Due to this, in this paper, a novel EDS control architecture is proposed to offer a new approach for the traction system that can be used with a great variety of controllers (e. g., classic, artificial intelligence (AI)-based, and modern/robust theory). In addition to this, a modified proportional-integral derivative (PID) controller, an AI-based neuro-fuzzy controller, and a robust optimal H-infinity controller were designed and evaluated to observe and evaluate the versatility of the novel architecture. Kinematic and dynamic models of the vehicle are briefly introduced. Then, simulated and experimental results were presented and discussed. A Hybrid Electric Vehicle in Low Scale (HELVIS)-Sim simulation environment was employed to the preliminary analysis of the proposed EDS architecture. Later, the EDS itself was embedded in a dSpace 1103 high-performance interface board so that real-time control of the rear wheels of the HELVIS platform was successfully achieved.

Motion Control of an Advanced Electric Implement for Agricultural Autonomous Vehicles

Nowadays, the development of intelligent and autonomous vehicles used to perform agricultural activities is essential to improve quantity and quality of agricultural productions. Moreover, with automation techniques it is possible to reduce the usage of agrochemicals and minimize the pollution. The University of Bologna is developing an innovative system for orchard management called ORTO (Orchard Rapid Transportation System). This system involves an autonomous electric vehicle capable to perform agricultural activities inside an orchard structure. The vehicle is equipped with an implement capable to perform different tasks. The purpose of this thesis project is to control the vehicle and the implement to perform an inter-row grass mowing. This kind of task requires a synchronized motion between the traction motors and the implement motors. A motion control system has been developed to generate trajectories and manage their synchronization. Two main trajectories type have been used: a five order polynomial trajectory and a trapezoidal trajectory. These two kinds of trajectories have been chosen in order to perform a uniform grass mowing, paying a particular attention to the constrains of the system. To synchronize the motions, the electronic cams approach has been adopted. A master profile has been generated and all the trajectories have been linked to the master motion. Moreover, a safety system has been developed. The aim of this system is firstly to improve the safety during the motion, furthermore it allows to manage obstacle detection and avoidance. Using some particular techniques obstacles can be detected and recovery action can be performed to overcome the problem. Once the measured force reaches the predefined force threshold, then the vehicle stops immediately its motion. The whole project has been developed by employing Matlab and Simulink. Eventually, the software has been translated into C code and executed on the TI Lauchpad XL board.

A new control strategy with saturation effect compensation for an autonomous induction generator drivenby wide speed range turbines

This paper presents a variable speed autonomous squirrel cage generator excited by a current-controlled voltage source inverter to be used in stand-alone micro-hydro power plants. The paper proposes a system control strategy aiming to properly excite the machine as well as to achieve the load voltage control. A feed-forward control sets the appropriate generator flux by taking into account the actual speed and the desired load voltage. A load voltage control loop is used to adjust the generated active power in order to sustain the load voltage at a reference value. The control system is based on a rotor flux oriented vector control technique which takes into account the machine saturation effect. The proposed control strategy and the adopted system models were validated both by numerical simulation and by experimental results obtained from a laboratory prototype. Results covering the prototype start-up, as well as its steady-state and dynamical behavior are presented. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Supervisão, comando e controlo para sistemas robóticos

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Área de Especialização em Sistemas Autónomos

Environmental/Regatta Buoy: Sensing System

Um dos principais objetivos da ciência é perceber a natureza, i.e., descobrir e explicar o funcionamento do mundo que nos rodeia. Para tal, os cientistas precisam de coligir dados e monitorar o meio ambiente. Em particular, considerando que cerca de 70% da Terra é coberta por água, a coleta de parâmetros de caracterização da água de grandes superfícies é uma prioridade. A monitorização das condições da água é feita principalmente através de bóias. No entanto, as bóias disponíveis no mercado não satisfazem as necessidades existentes. Esta é uma das principais razões que levaram o Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) do Instituto Superior de Engenharia do Porto a lançarem um projeto para o desenvolvimento de uma bóia reconfigurável e com dois modos de funcionamento: monitorização ambiental e baliza ativa de regata. O segundo modo é destinado a regatas de veleiros autónomos. O projeto começou há um ano com um projeto do European Project Project [1] (EPS), realizado por quatro estudantes internacionais, destinado à construção da estrutura da bóia e à selecção dos componentes mais adequados para o sistema de medição e controlo. A arquitetura que foi definida para este sistema é do tipo mestre-escravo e é composta por uma unidade de controlo mestre para a telemetria e configuração e uma unidade de controlo escrava para a medição e armazenamento de dados. O desenvolvimento do projeto continuou com dois estudantes belgas que trabalharam na comunicação e no armazenamento de dados. Este projeto, que prossegue com o desenvolvimento da medição e do armazenamento de dados do lado da unidade de controlo escrava, tem os seguintes objetivos: (i ) implementar o protocolo de comunicação na unidade de controlo escrava; (ii ) coligir e armazenar os dados dos sensores no cartão SD em tempo real; (iii ) fornecer dados em tempo útil; e (iv) recuperar dados do cartão SD em tempo diferido. As contribuições anteriores foram estudadas e foi feito um levantamento dos projetos congéneres existentes. O desenvolvimento do projeto atual começou com o protocolo de comunicação. Este protocolo, que foi projetado pelos alunos anteriores, foi um bom ponto de partida. No entanto, o protocolo foi atualizado e melhorado com novas funcionalidades. Esta última componente foi um trabalho conjunto com Laurens Allart, que esteve a trabalhar no subsistema de telemetria e de configuração durante este semestre. O protocolo foi implementado do lado da unidade de controlo escrava através de uma estrutura de múltiplas actividades paralelas (multithreaded). Esta estrutura recebe as mensagens da unidade mestre, executa as ações solicitadas e envia de volta o resultado. A bóia é um dispositivo reconfigurável multimodo que pode ser expandido com novos modos de operação no futuro. Infelizmente, sofre de algumas limitações: suporta uma carga máxima de 40 kg e tem uma área de implantação limitada pela distância máxima à estacão base.

Desenvolvimento e Controlo de um Veículo Autónomo Aéreo Quadrotor

A crescente necessidade de meios de inspecção e recolha de informação de infraestruturas e do meio ambiente natural, origina o recurso a meios tecnológicos cada vez mais evoluídos. Neste contexto, os robôs móveis autónomos aéreos surgem como uma ferramenta importante. Em particular, os veículos aéreos de asa móvel, pela sua manobrabilidade e controlo podem-se utilizar eficazmente em meios complexos como cenários interiores onde o ambiente é parcialmente controlado. A sua utilização em coordenação com outros veículos robóticos móveis e em particular com a crescente autonomia de decisão, permitem uma eficiência elevada, por exemplo, em tarefas de recolha automática de informação, vigilância, apoio a comunicações, etc. A inexistência de um veículo autónomo de asa móvel no cenário multi-robótico desenvolvido pelo Laboratório de Sistemas Autónomos do Instituto Superior de Engenharia do Porto, aliada às suas aplicações referidas, criou a necessidade do desenvolvimento de um veículo desta gama. Identificou-se, pois, o desenvolvimento de um veículo autónomo aéreo do tipo quadrotor com capacidade de vôo base estabilizado como o problema a resolver. Foi efectuado um levantamento de requisitos do sistema, a caracterização de um veículo autónomo aéreo Vertical Take-off and Landing - VTOL, e efectuado um trabalho de pesquisa a fim de possibilitar o conhecimento das técnicas e tecnologias envolvidas. Tendo em vista o objectivo de controlo e estabilização do veículo, foi efectuada a modelização do sistema que serviu não só para a melhor compreensão da sua dinâmica mas também para o desenvolvimento de um simulador que possibilitou a validação de estratégias de controlo e avaliação de comportamentos do veículo para diferentes cenários. A inexistência de controladores de motores brushless adequada (frequência de controlo), originou o desenvolvimento de um controlador dedicado para motores brushless, motores esses utilizados para a propulsão do veículo. Este controlador permite uma taxa de controlo a uma frequência de 20KHz, possui múltiplas interfaces de comunicação (CAN, RS232, Ethernet, SPI e JTAG), é de reduzido peso e dimensões e modular, visto ter sido implementado em dois módulos, i.e., permite a sua utilização com diferentes interfaces de potência. Projectou-se um veículo autónomo aéreo em termos físicos com a definição da sua arquitectura de hardware e software bem como o sistema de controlo de vôo. O sistema de estabilização de vôo compreende o processamento de informação fornecida por um sistema de navegação inercial, um sonar e o envio de referências de velocidade para cada um dos nós de controlo ligados a um barramento CAN instalado no veículo. A implementação do veículo foi alcançada nas suas vertentes mecânica, de hardware e software. O UAV foi equipado com um sistema computacional dotando-o de capacidades para o desempenho de tarefas previamente analisadas. No presente trabalho, são também tiradas algumas conclusões sobre o desenvolvimento do sistema e sua implementação bem como perspectivada a sua evolução futura no contexto de missões coordenadas de múltiplos veículos robóticos.

Integration of a mobile autonomous robot in a surveillance multi-agent system

This dissertation aims to guarantee the integration of a mobile autonomous robot equipped with many sensors in a multi-agent distributed and georeferenced surveillance system. The integration of a mobile autonomous robot in this system leads to new features that will be available to clients of surveillance system may use. These features may be of two types: using the robot as an agent that will act in the environment or by using the robot as a mobile set of sensors. As an agent in the system, the robot can move to certain locations when alerts are received, in order to acknowledge the underlying events or take to action in order to assist in resolving this event. As a sensor platform in the system, it is possible to access information that is read from the sensors of the robot and access complementary measurements to the ones taken by other sensors in the multi-agent system. To integrate this mobile robot in an effective way it is necessary to extend the current multi-agent system architecture to make the connection between the two systems and to integrate the functionalities provided by the robot into the multi-agent system.

ICTINEUAUV wins the First SAUC-E competition

A pioneer team of students of the University of Girona decided to design and develop an autonomous underwater vehicle (AUV) called ICTINEU-AUV to face the Student Autonomous Underwater Challenge-Europe (SAUC-E). The prototype has evolved from the initial computer aided design (CAD) model to become an operative AUV in the short period of seven months. The open frame and modular design principles together with the compatibility with other robots previously developed at the lab have provided the main design philosophy. Hence, at the robot's core, two networked computers give access to a wide set of sensors and actuators. The Gentoo/Linux distribution was chosen as the onboard operating system. A software architecture based on a set of distributed objects with soft real time capabilities was developed and a hybrid control architecture including mission control, a behavioural layer and a robust map-based localization algorithm made ICTINEU-AUV the winning entry

Using petri nets to specify and execute missions for autonomous underwater vehicles

This paper presents the design and implementation of a mission control system (MCS) for an autonomous underwater vehicle (AUV) based on Petri nets. In the proposed approach the Petri nets are used to specify as well as to execute the desired autonomous vehicle mission. The mission is easily described using an imperative programming language called mission control language (MCL) that formally describes the mission execution thread. A mission control language compiler (MCL-C) able to automatically translate the MCL into a Petri net is described and a real-time Petri net player that allows to execute the resulting Petri net onboard an AUV are also presented

Dynamic modelling of an underwater vehicle

Nessie is an Autonomous Underwater Vehicle (AUV) created by a team of students in the Heriot Watt University to compete in the Student Autonomous Underwater Competition, Europe (SAUC-E) in August 2006. The main objective of the project is to find the dynamic equation of the robot, dynamic model. With it, the behaviour of the robot will be easier to understand and movement tests will be available by computer without the need of the robot, what is a way to save time, batteries, money and the robot from water inside itself. The object of the second part in this project is setting a control system for Nessie by using the model