Experimental model identification of open-frame underwater vehicles

Most of the works published on hydrodynamic parameter identification of open-frame underwater vehicles focus their attention almost exclusively on good coherence between simulated and measured responses, giving less importance to the determination of “actual values” for hydrodynamic parameters. To gain insight into hydrodynamic parameter experimental identification of open-frame underwater vehicles, an experimental identification procedure is proposed here to determine parameters of uncoupled and coupled models. The identification procedure includes: (i) a prior estimation of actual values of the forces/torques applied to the vehicle, (ii) identification of drag parameters from constant velocity tests and (iii) identification of inertia and coupling parameters from oscillatory tests; at this stage, the estimated values of drag parameter obtained in item (ii) are used. The procedure proposed here was used to identify the hydrodynamic parameters of LAURS—an unmanned underwater vehicle developed at the University of São Paulo. The thruster–thruster and thruster–hull interactions and the advance velocity of the vehicle are shown to have a strong impact on the efficiency of thrusters appended to open-frame underwater vehicles, especially for high advance velocities. Results of tests with excitation in 1-DOF and 3-DOF are reported and discussed, showing the feasibility of the developed procedure.

Numerical analysis of control surface effects on AUV

Computational fluid dynamics, CFD, is becoming an essential tool in the prediction of the hydrodynamic efforts and flow characteristics of underwater vehicles for manoeuvring studies. However, when applied to the manoeuvrability of autonomous underwater vehicles, AUVs, most studies have focused on the de- termination of static coefficients without considering the effects of the vehicle control surface deflection. This paper analyses the hydrodynamic efforts generated on an AUV considering the combined effects of the control surface deflection and the angle of attack using CFD software based on the Reynolds-averaged Navier–Stokes formulations. The CFD simulations are also independently conducted for the AUV bare hull and control surface to better identify their individual and interference efforts and to validate the simulations by comparing the experimental results obtained in a towing tank. Several simulations of the bare hull case were conducted to select the k –ω SST turbulent model with the viscosity approach that best predicts its hydrodynamic efforts. Mesh sensitivity analyses were conducted for all simulations. For the flow around the control surfaces, the CFD results were analysed according to two different methodologies, standard and nonlinear. The nonlinear regression methodology provides better results than the standard methodology does for predicting the stall at the control surface. The flow simulations have shown that the occurrence of the control surface stall depends on a linear relationship between the angle of attack and the control surface deflection. This type of information can be used in designing the vehicle’s autopilot system.

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.

Optimización de Arquitecturas de Procesamiento Digital de Señales en Lógica Programable para Aplicaciones en Vuelos No Tripulados

En dispositivos electrónicos de última generación destinados a funciones de comunicación o control automático, los algoritmos de procesamiento digital de señales trasladados al hardware han ocupado un lugar fundamental. Es decir el estado de arte en el área de las comunicaciones y control puede resumirse en algoritmos basados en procesamiento digital de señales. Las implementaciones digitales de estos algoritmos han sido estudiadas en áreas de la informática desde hace tiempo. Sin embargo, aunque el incremento en la complejidad de los algoritmos modernos permite alcanzar desempeños atractivos en aplicaciones específicas, a su vez impone restricciones en la velocidad de operación que han motivado el diseño directamente en hardware de arquitecturas para alto rendimiento. En este contexto, los circuitos electrónicos basados en lógica programable, principalmente los basados en FPGA (Field-Programmable Gate Array), permiten obtener medidas de desempeño altamente confiables que proporcionan el acercamiento necesario hacia el diseño electrónico de circuitos para aplicaciones específicas “ASIC-VLSI” (Application Specific Integrated Circuit - Very Large Scale Integration). En este proyecto se analiza el diseño y la implementación de aquitecturas electrónicas para el procesamiento digital de señales, con el objeto de obtener medidas reales sobre el comportamiento del canal inalámbrico y su influencia sobre la estimación y el control de trayectoria en vehículos aéreos no tripulados (UAV, Unmanned Aerial Vehicle). Para esto se propone analizar un dispositivo híbrido basado en microcontroladores y circuitos FPGA y sobre este mismo dispositivo implementar mediante algoritmo un control de trayectoria que permita mantener un punto fijo en el centro del cuadro de una cámara de video a bordo de un UAV, que sea eficiente en términos de velocidad de operación, dimensiones y consumo de energía.

Sistemas de comunicaciones para vuelos no tripulados

La iniciativa ATLANTIDA engloba numerosos estudios de ingeniería con el objetivo de reformar el actual sistema de gestión del tráfico aéreo. Dentro de estos estudios se encuentran diversas investigaciones en el campo de las comunicaciones móviles. La gran variabilidad del entorno aeronáutico promueve el estudio de sistemas de comunicaciones móviles capaces de funcionar en este tipo de entorno. Este proyecto propone un sistema de comunicaciones WiMAX en un entorno aeronáutico con aviones no tripulados utilizando la modulación OFDM.

Control robusto por modos deslizantes de orden superior aplicado a vehículos aéreos no tripulados.

Tesis (Doctor en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica) UANL, 2013.

Bases y procesos de certificación de sistemas aéreos no tripulados

El objetivo de la tesis es el de crear unas bases de certificación para sistemas aéreos remotamente pilotados teniendo en consideración los siguientes requisitos: 1) La base ha de tener una estructura similar a la existente para los aviones tripulados. De esta manera se favorecerá una futura convergencia entre las bases de certificación según las misiones realizadas y las tecnologías empleadas por aviones tripulados y pilotados a distancia vayan convergiendo. La CS 23 y FAR 23 van a ser modificadas en profundidad en un futuro inmediato. Se ha considerado la redacción de la nueva normativa propuesta. 2) Los requisitos han de considerar los cambios definidos por las autoridades que gestionan el espacio aéreo. En Europa es SESAR JU quien gestiona el proceso. 3) Los organismos reguladores de la aviación están emitiendo consejos y recomendaciones para permitir la operación de los RPAS en el espacio aéreo no segregado. Asimismo han establecido unos principios fundamentales en los que han de basarse las bases de certificación. Se analizarán los documentos publicados al respecto por OACI, FAA y EASA que han aumentado significativamente en 2015. 4) Los altos niveles de seguridad alcanzados por la aviación han sido principalmente conseguidos gracias a la existencia de unas bases de certificación que se han actualizado frecuentemente considerando la experiencia en el diseño y la operación. Esta experiencia en los RPAS es reducida pero puede aportar importante información de seguridad. ABSTRACT The Goal of the Thesis is to create a certification specification for remotely piloted systems (RPAS). The methodology used for the development of the standard considers the following constrains: 1. The Base shall be defined in a similar way as the standards used for manned aircraft of the same category. This procedure will make possible a future merging of the standards for manned and unmanned system. It is foreseen that the missions performed and the technology used will be similar in a near future. CS23 and FAR 23 are going to be completely modified in a near future. The changed proposed will also be considered. 2. The standards developed must consider all the changes that are being defined by the air traffic management authorities around the globe. In Europe the program is being managed by SESAR Joint Undertaking. 3. The regulatory organizations are providing technical advice and recommendations in order to permit the operation of the RPAS in non-segregated airspace. There has been a big amount of documentation issued in the last year by ICAO, EASA and FAA. The standards developed should consider and implement these requirements. 4. The high safety record obtained by the manned aviation has been mainly due to the continuous update of the certifications standards based on the experience. The experience in the design and operation of RPAS is reduced but can already provide important safety information.

Herramienta de interacción persona-ordenador para la operación de vehículos aéreos no tripulados

En la presente memoria se describe el trabajo de diseño de una herramienta de interacción persona-ordenador (HMI) para la operación y supervisión de vehículos aéreos no tripulados (UAV). En primer lugar se hace una introducción a los tipos de UAVs y aplicaciones más comunes, describiendo sus características técnicas y los componentes que integra en el sistema. Mediante la revisión y análisis de los diferentes niveles de autonomía y las diferentes soluciones de presentación existentes en el mercado, se identifican los modos de operación y componentes principales de la interfaz. A continuación se describe el diseño final del software de la interfaz y el proceso de desarrollo de la misma, para ello se hace un análisis previo del software robótico sobre el que opera el sistema abordo del UAV y se establecen los enlaces de comunicación entre cada uno de los componentes y los requisitos de integración con el sistema. Finalmente, se muestran las pruebas que se han realizado para validar la construcción de la herramienta. This report outlines the design and construction of a human-machine interface (HMI), designed to facilitate the supervision and operation with unmanned aerial vehicles (UAV). First, it is described an introduction to UAVs classification and application fields, reviewing the hardware features and software integration components. In order to define the basic components and operation modes in the general design, a brief review of the different presentation solutions and autonomous levels is described. As a result, it is presented the final software design, the components details and the system integration requirements. Finally, it is also concluded with some of the tests that have been conducted to validate the design and construction of the human-machine interface

Entorno de supervisión para vehículos aéreos no tripulados

La Universidad Politécnica de Madrid está investigando en el campo de la robótica inteligente, concretamente con el empleo de vehículos aéreos no tripulados (UAV). El objetivo final que se persigue con las investigaciones en este campo es el desarrollo de sistemas capaces de operar de forma más autónoma en un amplio espectro de situaciones. Dentro de este marco, este trabajo fin de grado se centra en el desarrollo de un sistema de supervisión para UAVs que persigue facilitar la monitorización de la ejecución de los procesos y facilitar la inclusión de procedimientos para incrementar la tolerancia a los fallos software. A lo largo de esta memoria se ofrece una revisión del estado del arte en el ámbito de la robótica, haciendo especial hincapié en la robótica inteligente con los métodos de desarrollo existentes y la definición de los distintos marcos de clasificación de la autonomía. También se ofrece una vista a las distintas técnicas existentes para lograr una mayor tolerancia a los fallos software, de entre las que han sido seleccionadas varias de ellas en la realización de este trabajo. Finalmente se describe el sistema de supervisión desarrollado, explicando primero el sistema desde un punto de vista funcional para más adelante adentrarse en la solución técnica elaborada. ---ABSTRACT--- The Universidad Politécnica de Madrid is currently handling several investigations regarding AI robotics, some of them are actually directing their efforts into the use of unmanned aerial vehicles (UAV). The goal in the long term for this investigations is the accomplishment of systems capable of operating autonomously, regardless of the situation the robot is place at. From this perspective, this final degree project focuses on de design and development of a supervision system for UAV’s, which function is to ease the monitoring of executing processes and the inclusion of fault tolerant procedures. During the development of this document a state of the art revision is offered, in which a thorough description through development methods and autonomy definitions for AI robotics is made. It is also offered a look around the different existing techniques for achieving a greater software fault tolerance, from which some of them were chosen for the development of this project. Finally the developed supervision system is described, first from a pure functional perspective of what the system should do and latter with a description of the actual technical solutions developed for this system.

Validação Computacional tendo em vista a Interoperabilidade entre os Veículos Aéreos Não Tripulados

Nos dias de hoje, com o contínuo desenvolvimento e inovação no campo dos UAVs (Unmanned Aerial Vehciles), o mundo já tem como adquiridos os benefícios que estes sistemas podem fornecer. Os benefícios obtidos com a aplicação destes sistemas abrange tanto as forças armadas como industrias e organizações civis. Todas as nações e indústrias querem ter uma cota parte no futuro desta tecnologia. Diferentes UAVs foram desenvolvidos, mas estes, diferem em termos de arquitetura e protocolos de comunicação. Protocolos como o STANAG 4586, MAVLink, JAUS e ROS são só alguns exemplos. A proliferação de informação através destes sistemas e as suas consolas de comando e controlo é uma das principais preocupações, principalmente pelas forças armadas. Uma das principais prioridades é combinar forças de diferentes nações, principalmente pelos membros NATO. A necessidade de uma consola para cada tipo de sistema devido à falta de padronização apresenta assim um problema. É conhecida a necessidade de uma padronização em termos de arquitetura por camadas e de comunicação tendo em vista a interoperabilidade entre estes sistemas. Não existe nenhuma que esteja a ser implementada como documento padrão. Pretende-se que o STANAG 4586 seja o documento padrão para os membros NATO e, por conseguinte, todos os esforços estão direcionados em desenvolver sistemas que o consigam implementar. Os diferentes UAVs já existentes possuem o seu próprio protocolo de comunicação e a alteração de toda a sua estrutura não é fácil. A ideia de fazer uma conversão de linguagens como alternativa surge como uma solução teórica ótima. Utilizando um piloto automático que comunica com a sua consola através da linguagem MAVLink esta dissertação tem como objetivo desenvolver um programa computacional que converta as mensagens MAVLink em STANAG 4586 e estudar se o tempo de conversão é operacionalmente válido tendo em conta os requisitos operacionais dos sistemas.

Sistema de visão para percepção e navegação de um UAV Quadrotor

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Estudo conceptual do desenvolvimento de uma célula Mini-UAV

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica