Quadrotor team modeling and control for DLO transportation

94 p.Esta Tesis realiza una propuesta de un modelado dinámico para el transporte de sólidos lineales deformables (SLD) mediante un equipo de cuadricópteros. En este modelo intervienen tres factores: - Modelado dinámico del sólido lineal a transportar. - Modelo dinámico del cuadricóptero para que tenga en cuenta la dinámica pasiva y los efectos del SLD. - Estrategia de control para un transporte e ciente y robusto. Diferenciamos dos tareas principales: (a) lograr una con guración cuasiestacionaria de una distribución de carga equivalente a transportar entre todos los robots. (b) Ejecutar el transporte en un plano horizontal de todo el sistema. El transporte se realiza mediante una con guración de seguir al líder en columna, pero los cuadricópteros individualmente tienen que ser su cientemente robustos para afrontar todas las no-linealidades provocadas por la dinámica del SLD y perturbaciones externas, como el viento. Los controladores del cuadricóptero se han diseñado para asegurar la estabilidad del sistema y una rápida convergencia del sistema. Se han comparado y testeado estrategias de control en tiempo real y no-real para comprobar la bondad y capacidad de ajuste a las condiciones dinámicas cambiantes del sistema. También se ha estudiado la escalabilidad del sistema

System Architectures for Cooperative Teams of Unmanned Aerial Vehicles Interacting Physically with the Environment

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have become quite a useful tool for a wide range of applications, from inspection & maintenance to search & rescue, among others. The capabilities of a single UAV can be extended or complemented by the deployment of more UAVs, so multi-UAV cooperative teams are becoming a trend. In that case, as di erent autopilots, heterogeneous platforms, and application-dependent software components have to be integrated, multi-UAV system architectures that are fexible and can adapt to the team's needs are required. In this thesis, we develop system architectures for cooperative teams of UAVs, paying special attention to applications that require physical interaction with the environment, which is typically unstructured. First, we implement some layers to abstract the high-level components from the hardware speci cs. Then we propose increasingly advanced architectures, from a single-UAV hierarchical navigation architecture to an architecture for a cooperative team of heterogeneous UAVs. All this work has been thoroughly tested in both simulation and eld experiments in di erent challenging scenarios through research projects and robotics competitions. Most of the applications required physical interaction with the environment, mainly in unstructured outdoors scenarios. All the know-how and lessons learned throughout the process are shared in this thesis, and all relevant code is publicly available.Los vehículos aéreos no tripulados (UAVs, del inglés Unmanned Aerial Vehicles) se han convertido en herramientas muy valiosas para un amplio espectro de aplicaciones, como inspección y mantenimiento, u operaciones de rescate, entre otras. Las capacidades de un único UAV pueden verse extendidas o complementadas al utilizar varios de estos vehículos simultáneamente, por lo que la tendencia actual es el uso de equipos cooperativos con múltiples UAVs. Para ello, es fundamental la integración de diferentes autopilotos, plataformas heterogéneas, y componentes software -que dependen de la aplicación-, por lo que se requieren arquitecturas multi-UAV que sean flexibles y adaptables a las necesidades del equipo. En esta tesis, se desarrollan arquitecturas para equipos cooperativos de UAVs, prestando una especial atención a aplicaciones que requieran de interacción física con el entorno, cuya naturaleza es típicamente no estructurada. Primero se proponen capas para abstraer a los componentes de alto nivel de las particularidades del hardware. Luego se desarrollan arquitecturas cada vez más avanzadas, desde una arquitectura de navegación para un único UAV, hasta una para un equipo cooperativo de UAVs heterogéneos. Todo el trabajo ha sido minuciosamente probado, tanto en simulación como en experimentos reales, en diferentes y complejos escenarios motivados por proyectos de investigación y competiciones de robótica. En la mayoría de las aplicaciones se requería de interacción física con el entorno, que es normalmente un escenario en exteriores no estructurado. A lo largo de la tesis, se comparten todo el conocimiento adquirido y las lecciones aprendidas en el proceso, y el código relevante está publicado como open-source

Deployment of Heterogeneous Swarm Robotic Agents Using a Task-Oriented Utility-Based Algorithm

In a swarm robotic system, the desired collective behavior emerges from local decisions made by robots, themselves, according to their environment. Swarm robotics is an emerging area that has attracted many researchers over the last few years. It has been proven that a single robot with multiple capabilities cannot complete an intended job within the same time frame as that of multiple robotic agents. A swarm of robots, each one with its own capabilities, are more flexible, robust, and cost-effective than an individual robot. As a result of a comprehensive investigation of the current state of swarm robotic research, this dissertation demonstrates how current swarm deployment systems lack the ability to coordinate heterogeneous robotic agents. Moreover, this dissertation's objective shall define the starting point of potential algorithms that lead to the development of a new software environment interface. This interface will assign a set of collaborative tasks to the swarm system without being concerned about the underlying hardware of the heterogeneous robotic agents. The ultimate goal of this research is to develop a task-oriented software application that facilitates the rapid deployment of multiple robotic agents. The task solutions are created at run-time, and executed by the agents in a centralized or decentralized fashion. Tasks are fractioned into smaller sub-tasks which are, then, assigned to the optimal number of robots using a novel Robot Utility Based Task Assignment (RUTA) algorithm. The system deploys these robots using it's application program interfaces (API's) and uploads programs that are integrated with a small routine code. The embedded routine allows robots to configure solutions when the decentralized approach is adopted. In addition, the proposed application also offers customization of robotic platforms by simply defining the available sensing and actuation devices. Another objective of the system is to improve code and component reusability to reduce efforts in deploying tasks to swarm robotic agents. Usage of the proposed framework prevents the need to redesign or rewrite programs should any changes take place in the robot's platform

Quadrotor team modeling and control for DLO transportation

94 p.Esta Tesis realiza una propuesta de un modelado dinámico para el transporte de sólidos lineales deformables (SLD) mediante un equipo de cuadricópteros. En este modelo intervienen tres factores: - Modelado dinámico del sólido lineal a transportar. - Modelo dinámico del cuadricóptero para que tenga en cuenta la dinámica pasiva y los efectos del SLD. - Estrategia de control para un transporte e ciente y robusto. Diferenciamos dos tareas principales: (a) lograr una con guración cuasiestacionaria de una distribución de carga equivalente a transportar entre todos los robots. (b) Ejecutar el transporte en un plano horizontal de todo el sistema. El transporte se realiza mediante una con guración de seguir al líder en columna, pero los cuadricópteros individualmente tienen que ser su cientemente robustos para afrontar todas las no-linealidades provocadas por la dinámica del SLD y perturbaciones externas, como el viento. Los controladores del cuadricóptero se han diseñado para asegurar la estabilidad del sistema y una rápida convergencia del sistema. Se han comparado y testeado estrategias de control en tiempo real y no-real para comprobar la bondad y capacidad de ajuste a las condiciones dinámicas cambiantes del sistema. También se ha estudiado la escalabilidad del sistema

Customising with 3D printing: The role of intelligent control

© 2018 Elsevier B.V. The emergence of direct digital manufacturing creates new opportunities for the production of highly customised goods especially when it is combined with conventional manufacturing methods. Nevertheless, this combination creates a need for systems that can effectively manage and control the resulting distributed manufacturing process. In this paper, we explore three different configurations that can enable direct digital manufacturing for customisation, ranging from fully integrated to inter-organisational set up. Additionally, control requirements of such systems are developed and the suitability of intelligent control is explored. By ‘intelligent control’ we mean production control that is capable of assessing and interacting with the production environment and adapting production accordingly. We argue that the so called intelligent product paradigm provides a suitable mechanism for the development of such intelligent control systems. In this approach, the intelligent product directly co-ordinates with design agent, 3D printing agents and other conventional manufacturing system agents to schedule, assign and execute tasks independently. Via a case example of a realistic production system, we propose and implement such an intelligent control system and we analyse its feasibility in supporting 3D printing enabled customisation