Contributions to deconfliction advanced U-space services for multiple unmanned aerial systems including field tests validation

Unmanned Aerial Systems (UAS) will become commonplace, the number of UAS flying in European airspace is expected to increase from a few thousand to hundreds of thousands by 2050. To prepare for this approaching, national and international organizations involved in aerial traffic management are now developing new laws and restructuring the airspace to incorporate UAS into civil airspace. The Single European Sky ATM Research considers the development of the U-space, a crucial step to enable the safe, secure, and efficient access of a large set of UAS into airspace. The design, integration, and validation of a set of modules that contribute to our UTM architecture for advanced U-space services are described in this Thesis. With an emphasis on conflict detection and resolution features, the architecture is flexible, modular, and scalable. The UTM is designed to work without the need for human involvement, to achieve U-space required scalability due to the large number of expected operations. However, it recommends actions to the UAS operator since, under current regulations, the operator is accountable for carrying out the recommendations of the UTM. Moreover, our development is based on the Robot Operating System (ROS) and is open source. The main developments of the proposed Thesis are monitoring and tactical deconfliction services, which are in charge of identifying and resolving possible conflicts that arise in the shared airspace of several UAS. By limiting the conflict search to a local search surrounding each waypoint, the proposed conflict detection method aims to improve conflict detection. By splitting the issue down into smaller subproblems with only two waypoints, the conflict resolution method tries to decrease the deviation distance from the initial flight plan. The proposed method for resolving potential threats is based on the premise that UAS can follow trajectories in time and space properly. Therefore, another contribution of the presented Thesis is an UAS 4D trajectory follower that can correct space and temporal deviations while following a given trajectory. Currently, commercial autopilots do not offer this functionality that allows to improve the airspace occupancy using time as an additional dimension. Moreover, the integration of onboard detect and avoid capabilities, as well as the consequences for U-space services are examined in this Thesis. A module capable of detecting large static unexpected obstacles and generating an alternative route to avoid the obstacle online is presented. Finally, the presented UTM architecture has been tested in both software-in-theloop and hardware-in-the-loop development enviroments, but also in real scenarios using unmanned aircraft. These scenarios were designed by selecting the most relevant UAS operation applications, such as the inspection of wind turbines, power lines and precision agriculture, as well as event and forest monitoring. ATLAS and El Arenosillo were the locations of the tests carried out thanks to the European projects SAFEDRONE and GAUSS.Los sistemas aéreos no tripulados (UAS en inglés) se convertirán en algo habitual. Se prevé que el número de UAS que vuelen en el espacio aéreo europeo pase de unos pocos miles a cientos de miles en 2050. Para prepararse para esta aproximación, las organizaciones nacionales e internacionales dedicadas a la gestión del tráfico aéreo están elaborando nuevas leyes y reestructurando el espacio aéreo para incorporar los UAS al espacio aéreo civil. SESAR (del inglés Single European Sky ATM Research) considera el desarrollo de U-space, un paso crucial para permitir el acceso seguro y eficiente de un gran conjunto de UAS al espacio aéreo. En esta Tesis se describe el diseño, la integración y la validación de un conjunto de módulos que contribuyen a nuestra arquitectura UTM (del inglés Unmanned aerial system Traffic Management) para los servicios avanzados del U-space. Con un énfasis en las características de detección y resolución de conflictos, la arquitectura es flexible, modular y escalable. La UTM está diseñada para funcionar sin necesidad de intervención humana, para lograr la escalabilidad requerida por U-space debido al gran número de operaciones previstas. Sin embargo, la UTM únicamente recomienda acciones al operador del UAS ya que, según la normativa vigente, el operador es responsable de las operaciones realizadas. Además, nuestro desarrollo está basado en el Sistema Operativo de Robots (ROS en inglés) y es de código abierto. Los principales desarrollos de la presente Tesis son los servicios de monitorización y evitación de conflictos, que se encargan de identificar y resolver los posibles conflictos que surjan en el espacio aéreo compartido de varios UAS. Limitando la búsqueda de conflictos a una búsqueda local alrededor de cada punto de ruta, el método de detección de conflictos pretende mejorar la detección de conflictos. Al dividir el problema en subproblemas más pequeños con sólo dos puntos de ruta, el método de resolución de conflictos intenta disminuir la distancia de desviación del plan de vuelo inicial. El método de resolución de conflictos propuesto se basa en la premisa de que los UAS pueden seguir las trayectorias en el tiempo y espacio de forma adecuada. Por tanto, otra de las aportaciones de la Tesis presentada es un seguidor de trayectorias 4D de UAS que puede corregir las desviaciones espaciales y temporales mientras sigue una trayectoria determinada. Actualmente, los autopilotos comerciales no ofrecen esta funcionalidad que permite mejorar la ocupación del espacio aéreo utilizando el tiempo como una dimensión adicional. Además, en esta Tesis se examina la capacidad de integración de módulos a bordo de detección y evitación de obstáculos, así como las consecuencias para los servicios de U-space. Se presenta un módulo capaz de detectar grandes obstáculos estáticos inesperados y capaz de generar una ruta alternativa para evitar dicho obstáculo. Por último, la arquitectura UTM presentada ha sido probada en entornos de desarrollo de simulación, pero también en escenarios reales con aeronaves no tripuladas. Estos escenarios se diseñaron seleccionando las aplicaciones de operación de UAS más relevantes, como la inspección de aerogeneradores, líneas eléctricas y agricultura de precisión, así como la monitorización de eventos y bosques. ATLAS y El Arenosillo fueron las sedes de las pruebas realizadas gracias a los proyectos europeos SAFEDRONE y GAUSS

Feature Papers of Drones - Volume I

[EN] The present book is divided into two volumes (Volume I: articles 1–23, and Volume II: articles 24–54) which compile the articles and communications submitted to the Topical Collection ”Feature Papers of Drones” during the years 2020 to 2022 describing novel or new cutting-edge designs, developments, and/or applications of unmanned vehicles (drones). Articles 1–8 are devoted to the developments of drone design, where new concepts and modeling strategies as well as effective designs that improve drone stability and autonomy are introduced. Articles 9–16 focus on the communication aspects of drones as effective strategies for smooth deployment and efficient functioning are required. Therefore, several developments that aim to optimize performance and security are presented. In this regard, one of the most directly related topics is drone swarms, not only in terms of communication but also human-swarm interaction and their applications for science missions, surveillance, and disaster rescue operations. To conclude with the volume I related to drone improvements, articles 17–23 discusses the advancements associated with autonomous navigation, obstacle avoidance, and enhanced flight plannin

Mechatronic design solution for planar overconstrained cable-driven parallel robot

Cable-driven parallel robots (CDPRs) combine the successful features of parallel manipulators with the benefits of cable transmissions. The payload is divided among light extendable cables, resulting in an energy-efficient system that can achieve high end-effector acceleration over a huge workspace. A CDPR is formed by a set of actuation units, and a mobile platform, working as an end-effector (EE). The cables, driven by the actuation units, are guided inside the robot workspace using a guidance system and then connected to the mobile platform. The variation of cable lengths is responsible for the EE displacement throughout the robot workspace. These features result in easily reconfigurable systems where the workspace can be modified by relocating the actuation and guidance units. Nevertheless, the use of CDPRs in industrial environments is still limited, due to the drawbacks of employing flexible cables. Indeed, cables impose unilateral constraints that can only exert tensile forces and, consequently, the EE cannot withstand any arbitrary external action. To enhance the robot’s controllability, CDPRs can be overconstrained by employing a number of cables higher than the degrees of freedom of the EE. This allows cables to pull one against the other and to keep the overall system controllable over a wide range of externally applied loads. In this thesis, an eight-cable, planar, overconstrained CDPR is designed: the robot has the deployable and reconfigurable features required by the task. In particular, this CDPR has its actuation units installed into the EE mobile platform, and the frame anchor points can be rearranged to obtain a discrete reconfiguration. The cable arrangement, location of anchor points and mechanical design have been studied, by implementing a hybrid optimisation procedure. The genetic algorithm is combined with a local minimum optimiser, maximizing the CDPR volume index and deriving a mechanical design for the prototype

Proceedings of the 2018 Canadian Society for Mechanical Engineering (CSME) International Congress

Published proceedings of the 2018 Canadian Society for Mechanical Engineering (CSME) International Congress, hosted by York University, 27-30 May 2018

XLIII Jornadas de Automática: libro de actas: 7, 8 y 9 de septiembre de 2022, Logroño (La Rioja)

[Resumen] Las Jornadas de Automática (JA) son el evento más importante del Comité Español de Automática (CEA), entidad científico-técnica con más de cincuenta años de vida y destinada a la difusión e implantación de la Automática en la sociedad. Este año se celebra la cuadragésima tercera edición de las JA, que constituyen el punto de encuentro de la comunidad de Automática de nuestro país. La presente edición permitirá dar visibilidad a los nuevos retos y resultados del ámbito, y su uso en un gran número de aplicaciones, entre otras, las energías renovables, la bioingeniería o la robótica asistencial. Además de la componente científica, que se ve reflejada en este libro de actas, las JA son un punto de encuentro de las diferentes generaciones de profesores, investigadores y profesionales, incluyendo la componente social que es de vital importancia. Esta edición 2022 de las JA se celebra en Logroño, capital de La Rioja, región mundialmente conocida por la calidad de sus vinos de Denominación de Origen y que ha asumido el desafío de poder ganar competitividad a través de la transformación verde y digital. Pero también por ser la cuna del castellano e impulsar el Valle de la Lengua con la ayuda de las nuevas tecnologías, entre ellas la Automática Inteligente. Los organizadores de estas JA, pertenecientes al Área de Ingeniería de Sistemas y Automática del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de La Rioja (UR), constituyen un pilar fundamental en el apoyo a la región para el estudio, implementación y difusión de estos retos. Esta edición, la primera en formato íntegramente presencial después de la pandemia de la covid-19, cuenta con más de 200 asistentes y se celebra a caballo entre el Edificio Politécnico de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial y el Monasterio de Yuso situado en San Millán de la Cogolla, dos marcos excepcionales para la realización de las JA. Como parte del programa científico, dos sesiones plenarias harán hincapié, respectivamente, sobre soluciones de control para afrontar los nuevos retos energéticos, y sobre la calidad de los datos para una inteligencia artificial (IA) imparcial y confiable. También, dos mesas redondas debatirán aplicaciones de la IA y la implantación de la tecnología digital en la actividad profesional. Adicionalmente, destacaremos dos clases magistrales alineadas con tecnología de última generación que serán impartidas por profesionales de la empresa. Las JA también van a albergar dos competiciones: CEABOT, con robots humanoides, y el Concurso de Ingeniería de Control, enfocado a UAVs. A todas estas actividades hay que añadir las reuniones de los grupos temáticos de CEA, las exhibiciones de pósteres con las comunicaciones presentadas a las JA y los expositores de las empresas. Por último, durante el evento se va a proceder a la entrega del “Premio Nacional de Automática” (edición 2022) y del “Premio CEA al Talento Femenino en Automática”, patrocinado por el Gobierno de La Rioja (en su primera edición), además de diversos galardones enmarcados dentro de las actividades de los grupos temáticos de CEA. Las actas de las XLIII Jornadas de Automática están formadas por un total de 143 comunicaciones, organizadas en torno a los nueve Grupos Temáticos y a las dos Líneas Estratégicas de CEA. Los trabajos seleccionados han sido sometidos a un proceso de revisión por pares