In-Flight Collision Avoidance Controller Based Only on OS4 Embedded Sensors

The major goal of this research was the development and implementation of a control system able to avoid collisions during the flight for a mini-quadrotor helicopter, based only on its embedded sensors without changing the environment. However, it is important to highlight that the design aspects must be seriously considered in order to overcome hardware limitations and achieve control simplification. The controllers of a UAV (Unmanned Aerial Vehicle) robot deal with highly unstable dynamics and strong axes coupling. Furthermore, any additional embedded sensor increases the robot total weight and therefore, decreases its operating time. The best balance between embedded electronics and robot operating time is desired. This paper focuses not only on the development and implementation of a collision avoidance controller for a mini-robotic helicopter using only its embedded sensors, but also on the mathematical model that was essential for the controller developing phases. Based on this model we carried out the development of a simulation tool based on MatLab/Simulink that was fundamental for setting the controllers' parameters. This tool allowed us to simulate and improve the OS4 controllers in different modeled environments and test different approaches. After that, the controllers were embedded in the real robot and the results proved to be very robust and feasible. In addition to this, the controller has the advantage of being compatible with future path planners that we are developing.Brazilian Agency: CAPES (Coordenacao de Aperfeicoamento de Pessoal de Nivel Superior)Brazilian Agency: CNPq (National Council for Scientific and Technological Development

Space Exploration Robotic Systems - Orbital Manipulation Mechanisms

In the future, orbital space robots will assist humans in space by constructing and maintaining space modules and structures. Robotic manipulators will play essential roles in orbital operations. This work is devoted to the implemented designs of two different orbital manipulation mechanical grippers developed in collaboration with Thales Alenia Space Italy and NASA Jet Propulsion Laboratory – California Institute of Technology. The consensus to a study phase for an IXV (Intermediate eXperimental Vehicle) successor, a preoperational vehicle called SPACE RIDER (Space Rider Reusable Integrated Demonstrator for European Return), has been recently enlarged, as approved during last EU Ministerial Council. One of the main project task consists in developing SPACE RIDER to conduct on orbit servicing activity with no docking. SPACE RIDER would be provided with a robotic manipulator system (arm and gripper) able to transfer cargos, such as scientific payloads, from low Earth orbiting platforms to SPACE RIDER cargo bay. The platform is a part of a space tug designed to move small satellites and other payloads from Low Earth Orbit (LEO) to Geosynchronous Equatorial Orbit (GEO) and viceversa. The assumed housing cargo bay requirements in terms of volume (<100l) and mass (<50kg) combined with the required overall arm dimensions (4m length), and mass of the cargo (5-30kg) force to developing an innovative robotic manipulator with the task-oriented end effector. It results in a seven degree-of-freedom arm to ensure a high degree of dexterity and a dedicate end-effector designed to grasp the cargo interface. The gripper concept developed consists in a multi-finger hand able to lock both translational and rotational cargo degrees of freedom through an innovative underactuation strategy to limit its mass and volume. A configuration study on the cargo handle interface was performed together with some computer aided design models and multibody analysis of the whole system to prove its feasibility. Finally, the concept of system control architecture, the test report and the gripper structural analysis were defined. In order to be able to accurately analyze a sample of Martian soil and to determine if life was present on the red planet, a lot of mission concepts have been formulating to reach Mars and to bring back a terrain sample. NASA JPL has been studying such mission concepts for many years. This concept is made up of three intermediate mission accomplishments. Mars 2020 is the first mission envisioned to collect the terrain sample and to seal it in sample tubes. These sealed sample tubes could be inserted in a spherical envelope named Orbiting Sample (OS). A Mars Ascent Vehicle (MAV) is the notional rocket designed to bring this sample off Mars, and a Rendezvous Orbiting Capture System (ROCS) is the mission conceived to bring this sample back to Earth through the Earth Entry Vehicle (EEV). MOSTT is the technical work study to create new concepts able to capture and reorient an OS. This maneuver is particularly important because we do not know an OS incoming orientation and we need to be able to capture, to reorient it (2 rotational degrees of freedom), and to retain an OS (3 translational degrees of freedom and 2 rotational ones). Planetary protection requirements generate a need to enclose an OS in two shells and to seal it through a process called Break-The-Chain (BTC). Considering the EEV would return back to Earth, the tubes orientation and position have to be known in detail to prevent any possible damage during the Earth hard landing (acceleration of ∼1300g). Tests and analysis report that in order for the hermetic seals of the sample tubes to survive the impact, they should be located above an OS equator. Due to other system uncertainties an OS presents the potential requirement to be properly reoriented before being inserted inside the EEV. Planetary protection issues and landing safety are critical mission points and provide potential strict requirements to MOSTT system configuration. This task deals with the concept, design, and testbed realization of an innovative electro-mechanical system to reorient an OS consistent with all the necessary potential requirements. One of these electro-mechanical systems consists of a controlled-motorized wiper that explores all an OS surface until it engages with a pin on an OS surface and brings it to the final home location reorienting an OS. This mechanism is expected to be robust to the incoming OS orientation and to reorient it to the desired position using only one degree of freedom rotational actuator

Computer vision-based localization and mapping of an unknown, uncooperative and spinning target for spacecraft proximity operations

Thesis: Ph. D., Massachusetts Institute of Technology, Department of Aeronautics and Astronautics, 2013.This electronic version was submitted by the student author. The certified thesis is available in the Institute Archives and Special Collections.Cataloged from student-submitted PDF version of thesis.Includes bibliographical references (pages 399-410).Prior studies have estimated that there are over 100 potential target objects near the Geostationary Orbit belt that are spinning at rates of over 20 rotations per minute. For a number of reasons, it may be desirable to operate in close proximity to these objects for the purposes of inspection, docking and repair. Many of them have an unknown geometric appearance, are uncooperative and non-communicative. These types of characteristics are also shared by a number of asteroid rendezvous missions. In order to safely operate in close proximity to an object in space, it is important to know the target object's position and orientation relative to the inspector satellite, as well as to build a three-dimensional geometric map of the object for relative navigation in future stages of the mission. This type of problem can be solved with many of the typical Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) algorithms that are found in the literature. However, if the target object is spinning with signicant angular velocity, it is also important to know the linear and angular velocity of the target object as well as its center of mass, principal axes of inertia and its inertia matrix. This information is essential to being able to propagate the state of the target object to a future time, which is a key capability for any type of proximity operations mission. Most of the typical SLAM algorithms cannot easily provide these types of estimates for high-speed spinning objects. This thesis describes a new approach to solving a SLAM problem for unknown and uncooperative objects that are spinning about an arbitrary axis. It is capable of estimating a geometric map of the target object, as well as its position, orientation, linear velocity, angular velocity, center of mass, principal axes and ratios of inertia. This allows the state of the target object to be propagated to a future time step using Newton's Second Law and Euler's Equation of Rotational Motion, and thereby allowing this future state to be used by the planning and control algorithms for the target spacecraft. In order to properly evaluate this new approach, it is necessary to gather experiby Brent Edward Tweddle.Ph. D

Intuitive Teleoperation of an Intelligent Robotic System Using Low-Cost 6-DOF Motion Capture

There is currently a wide variety of six degree-of-freedom (6-DOF) motion capture technologies available. However, these systems tend to be very expensive and thus cost prohibitive. A software system was developed to provide 6-DOF motion capture using the Nintendo Wii remote’s (wiimote) sensors, an infrared beacon, and a novel hierarchical linear-quaternion Kalman filter. The software is made freely available, and the hardware costs less than one hundred dollars. Using this motion capture software, a robotic control system was developed to teleoperate a 6-DOF robotic manipulator via the operator’s natural hand movements. The teleoperation system requires calibration of the wiimote’s infrared cameras to obtain an estimate of the wiimote’s 6-DOF pose. However, since the raw images from the wiimote’s infrared camera are not available, a novel camera-calibration method was developed to obtain the camera’s intrinsic parameters, which are used to obtain a low-accuracy estimate of the 6-DOF pose. By fusing the low-accuracy estimate of 6-DOF pose with accelerometer and gyroscope measurements, an accurate estimation of 6-DOF pose is obtained for teleoperation. Preliminary testing suggests that the motion capture system has an accuracy of less than a millimetre in position and less than one degree in attitude. Furthermore, whole-system tests demonstrate that the teleoperation system is capable of controlling the end effector of a robotic manipulator to match the pose of the wiimote. Since this system can provide 6-DOF motion capture at a fraction of the cost of traditional methods, it has wide applicability in the field of robotics and as a 6-DOF human input device to control 3D virtual computer environments

MUSME 2011 4 th International Symposium on Multibody Systems and Mechatronics

El libro de actas recoge las aportaciones de los autores a través de los correspondientes artículos a la Dinámica de Sistemas Multicuerpo y la Mecatrónica (Musme). Estas disciplinas se han convertido en una importante herramienta para diseñar máquinas, analizar prototipos virtuales y realizar análisis CAD sobre complejos sistemas mecánicos articulados multicuerpo. La dinámica de sistemas multicuerpo comprende un gran número de aspectos que incluyen la mecánica, dinámica estructural, matemáticas aplicadas, métodos de control, ciencia de los ordenadores y mecatrónica. Los artículos recogidos en el libro de actas están relacionados con alguno de los siguientes tópicos del congreso: Análisis y síntesis de mecanismos ; Diseño de algoritmos para sistemas mecatrónicos ; Procedimientos de simulación y resultados ; Prototipos y rendimiento ; Robots y micromáquinas ; Validaciones experimentales ; Teoría de simulación mecatrónica ; Sistemas mecatrónicos ; Control de sistemas mecatrónicosUniversitat Politècnica de València (2011). MUSME 2011 4 th International Symposium on Multibody Systems and Mechatronics. Editorial Universitat Politècnica de València. http://hdl.handle.net/10251/13224Archivo delegad

A Comprehensive Uncertainty Analysis and Method of Geometric Calibration for a Circular Scanning Airborne Lidar

This dissertation describes an automated technique for ascertaining the values of the geometric calibration parameters of an airborne lidar. A least squares approach is employed that adjusts the point cloud to a single planar surface which could be either a narrow airport runway or a dynamic sea surface. Going beyond the customary three boresight angles, the proposed adjustment can determine up to eleven calibration parameters to a precision that renders a negligible contribution to the point cloud’s positional uncertainty. Presently under development is the Coastal Zone Mapping and Imaging Lidar (CZMIL), which, unlike most contemporary systems that use oscillating mirrors to reflect the beam, will use a circular spinning prism to refract the laser in the desired direction. This departure from the traditional scanner presents the potential for internal geometric misalignments not previously experienced. Rather than relying on past calibration practices (like requiring data be acquired over a pitched-roof), a more robust method of calibration is established which does not depend on the presence of any cultural features. To develop this new method of calibration, the laser point positioning equation for this lidar was developed first. The system was then simulated in the MATLAB environment. Using these artificial datasets, the behavior of each geometric parameter was systematically manipulated, understood and calibrated, while an optimal flight strategy for the calibration acquisition was simultaneously developed. Finally, the total propagated uncertainty (TPU) of the point cloud was determined using a propagation of variances. Using this TPU module, the strength of the calibration solution was assessed. For example, four flight lines each of 20 seconds in duration contained sufficient information to determine the calibration parameters to such a degree of confidence that their contribution to the final point cloud uncertainty was only 0.012m in the horizontal and 0.002m in the vertical (1σ)

Airborne wind energy with tethered wings: modeling, analysis and control

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2016.Abstract : Airborne Wind Energy (AWE) is an emerging field of technology that investigates wind power devices capable of remaining airborne either through aerostatic or aerodynamic forces. Consequently, the heavy and expensive tower of conventional horizontal-axis wind turbines is no longer needed, allowing the AWE device to operate at higher altitudes, where the wind tends to be steadier and stronger and, therefore, more power is available. Another claimed advantage is the reduction on overall costs, especially regarding transportation and installation, due to the absence of the tower to withstand the torque caused by the rotating turbine, thus also requiring a simpler foundation. Several AWE concepts have been proposed, among which the pumping kite stands out as one of the simplest and cheapest, essentially comprising a ground winch where energy is generated, and a tethered wing that can be either flexible or rigid. This dissertation contributes to the field of AWE by addressing the pumping kite in four different aspects. The goal is to serve both as a manuscript for the lay reader with some background on physics, aerodynamics, dynamic systems, classic control and optimization techniques, as well as by specialists in either of these areas who intend to carry out deeper investigations. The first contribution is to revisit in detail important models in the literature used to simulate the flight dynamics, to design and to validate control laws. Namely, the 3D two-tether point-mass wing (to which modifications are proposed), the massless wing in dynamic equilibrium, the course angle dynamics and the logarithmic wind shear model are addressed. The second contribution is a comparative study of flight controllers whose references are computed separately from the ground winch control, in a decentralized topology. A two-loop approach is considered, where the outer loop defines a reference trajectory and generates a reference for the course angle, which is then tracked in the inner loop by manipulating the steering input of the tethered wing. A third contribution is the formulation of an optimization problem to choose the operating parameters of the traction and retraction phases that yield the maximum cycle power. One of the main findings is that, by reeling out at a lower speed than the value that maximizes the traction power, the duty cycle increases and, thereby, also the cycle power. The last major contribution is to reinterpret Loyd?s lift (the pumping kite traction phase) and drag modes as particular cases of the actuator disc considered in the derivation of the Betz limit for power extraction from the wind. The expression for the lift mode power coefficient is formulated using blade element momentum theory.Energia eólica aérea (Airborne Wind Energy (AWE), em inglês) é uma tecnologia de energia renovável que trata de dispositivos que aproveitam a energia cinética do vento e são capazes de se manter no ar através de forças aerostáticas ou forças aerodinâmicas. Este campo de estudos vem atraindo cada vez mais pesquisas devido a duas grandes vantagens previstas sobre a tecnologia convencional de turbinas de eixo horizontal. A primeira vantagem é que a substituição da torre por cabos de comprimento variável permite ao dispositivo operar em altitudes mais elevadas, onde os ventos tendem a soprar mais consistentemente e a uma velocidade maior, caracterizando, portanto, um potencial energético maior. A segunda vantagem é uma redução substancial nos custos do empreendimento, especialmente nos quesitos de transporte e instalação, devido à ausência de uma torre que deva suportar o torque causado pela operação da turbina. Assim, acredita-se que a fundação para o ponto de ancoragem do sistema também se torna mais simples e barata. Os dispositivos de AWE que mantêm-se em voo através de forças aerodinâmicas são denominados de aerofólios cabeados . Várias estruturas com aerofólios cabeados já foram propostas, dentre as quais destaca-se o pumping kite por ser uma das mais simples e de menor custo. O pumping kite consiste, essencialmente, de duas unidades uma de solo e a outra, de voo com possíveis variações quanto ao tipo de aerofólio (rígido ou flexível), número e função dos cabos, atuadores para controle de voo no solo ou junto ao aerofólio, etc. Em uma das configurações mais usuais, tem-se uma máquina elétrica no solo acoplada a um carretel através de uma redução mecânica. À medida em que o aerofólio descreve uma trajetória que visa maximizar a força de tração no cabo, este desenrola-se do carretel, fornecendo potência mecânica à máquina elétrica que, nessa fase, opera como gerador. Quando o comprimento de cabo atinge um valor pré-determinado, encerra-se a fase de tração e inicia-se a fase de recolhimento, durante a qual a máquina elétrica opera como motor para enrolar o cabo até seu comprimento inicial. Para isto o aerofólio é reconfigurado para uma condição de baixa força aerodinâmica, permitindo o recolhimento com um pequeno gasto energético e, assim, aumentando a potência média entregue à rede (potência de ciclo) ao final deste ciclo com duas fases. A unidade de voo é composta essencialmente pelo aerofólio, por um microcomputador embarcado e pelos atuadores de controle de voo. Esta tese visa contribuir à área de AWE em quatro diferentes aspectos. O objetivo é servir tanto como um documento para o leitor leigo interessado no assunto e que tenha conhecimentos em física, aerodinâmica, sistemas dinâmicos, controle clássico e otimização, bem como uma referência para especialistas que estejam buscando avançar em qualquer uma destas frentes. A primeira contribuição é a discussão em detalhes de alguns modelos importantes usados para a simulação, análise e projeto de controladores de voo para aerofólios cabeados. Dentre estes modelos está o aerofólio ponto de massa com dois cabos, cuja construção é explicada passo-a-passo, incluindo a proposição de pequenas modificações relativas ao efeito da massa dos cabos nas equações de movimento. Em seguida também é feita a derivação do modelo que representa a dinâmica do ângulo de curso ( ângulo de giro ) do aerofólio, que é uma variável frequentemente utilizada para o controle de voo. Um terceiro modelo discutido é o modelo logarítmico que descreve a variação da intensidade média do vento de acordo com o coeficiente de rugosidade do solo. Para fins ilustrativos, o modelo foi interpolado para algumas localidades com base em um banco de dados norte-americano aberto ao público. A segunda contribuição desta tese é um estudo comparativo sobre abordagens para controle de voo em uma topologia decentralizada, na qual as leis de controle da unidade de solo e de voo são computadas separadamente. O controle de voo utiliza uma estratégia com duas malhas em cascata. Durante a fase de tração, uma opção é a malha externa utilizar a lemniscata de Bernoulli como referência para a trajetória de oito deitado desejada para o voo do aerofólio. Com base no erro de seguimento da lemniscata, é gerada uma referência para o ângulo de curso, que é repassada à malha interna. Já para a fase de retração, a referência do ângulo de curso é mantida apontando para o zênite, fazendo com que o aerofólio saia da zona de potência (condição de vento cruzado, crosswind) e possa ser recolhido com baixo gasto energético. Uma outra possibilidade discutida, mais simples, é o uso de apenas dois pontos de atração (atratores) como referência de posição do aerofólio na malha externa, com apenas um dos atratores ativo. Assim que o aerofólio cruza a coordenada azimute de um atrator, o outro torna-se o ativo, levando o aerofólio a executar uma curva e, dessa forma, realizar a trajetória desejada de oito deitado. Devido à descontinuidade no erro de seguimento quando chaveia-se entre os atratores, ocorre uma descontinuidade no sinal de controle, razão pela qual esta estratégia é conhecida como bang-bang . É discutido como o bang-bang pode ser vantajoso no caso de aerofólios cabeados com um curto perímetro (comprimento de arco) da trajetória, situação em que o período de amostragem do controle torna-se relativamente grande, o que dificulta a estabilização do controle. Por outro lado, no caso de trajetórias com perímetro maior, a ausência de um percurso bem definido entre os dois atratores pode resultar em uma trajetória aproximadamente geodésica ( reta angular), afastando-se, assim, das trajetórias ótimas de oito deitado sugeridas na literatura. Neste caso, a opção com a lemniscata de Bernoulli pode tornar-se vantajosa. Para a malha interna do controle de voo também foram investigadas algumas alternativas, entre as quais um controlador proporcional. Usando o modelo da dinâmica do ângulo de curso linearizado em alguns pontos principais, é computado o intervalo do ganho proporcional que garante estabilidade em malha fechada, supondo conhecidos os parâmetros do modelo. Também com base no mesmo modelo do ângulo de curso, projetou-se um controlador de realimentação linearizante que impõe uma dinâmica estável de primeira ordem ao erro de rastreamento da malha interna. Tal controlador linearizante requer, em sua lei de controle, o conhecimento da derivada da referência do ângulo de curso. Dado que esta derivada pode ser difícil de se obter, na prática, com baixo ruído, é investigada uma variante do controlador linearizante sem a mencionada derivada. Considerando, para os três controladores, aproximadamente a mesma constante de tempo do sistema em malha fechada, o controlador linearizante completo obteve o melhor desempenho, seguido pelo proporcional, enquanto o linearizante sem derivada da referência do ângulo de curso ficou com o pior desempenho. Uma terceira contribuição ao estudo do pumping kite é a formulação de um problema de otimização para um ciclo de operação, considerando-se a topologia de controle decentralizado. Já que a lei de controle de voo é computada separadamente da unidade de solo, é necessário determinar os valores de alguns parâmetros de operação cuja escolha pode ter um impacto significativo na potência de ciclo. Mostra-se como a potência média durante a fase de tração varia em função do ângulo de ataque médio, e como o ângulo de ataque base pode ser determinado para operar-se no ponto de máxima potência. A fase de tração é parametrizada em termos de um ângulo de ataque base, uma velocidade de desenrolamento, um ângulo polar médio da trajetória, e um comprimento médio do cabo. Já a fase de retração é parametrizada por meio de dois coeficientes que definem a inclinação das rampas de força de tração e ângulo de ataque base, e dois patamares ao final destas rampas. São consideradas restrições no mínimo ângulo de ataque importante no caso de aerofólios flexíveis e na máxima velocidade de enrolamento alcançada pela máquina elétrica. A ideia é reduzir a força de tração e o ângulo de ataque do aerofólio enquanto a velocidade de enrolamento aumenta e, dessa forma, obter-se uma fase de retração eficiente. Para fins ilustrativos, o problema de otimização é resolvido para os valores de patamar através de uma busca em grid, enquanto os coeficientes de inclinação de rampa são definidos de maneira ad hoc. Entre as principais conclusões está que, para o aerofólio do tipo foil (ram-air) kite com 12 m2 de área projetada sujeito a um vento nominal de aproximadamente 10 m/s, ao desenrolar-se o cabo a 2.3 m/s, o que corresponde a uma redução de 25.8 % com relação à velocidade que maximiza a potência na fase de tração, obtém-se um acréscimo de 9.3 % na potência de ciclo. Com base em um método simplificado para cálculo da potência de ciclo, também é obtida a curva de potência do pumping kite, discutindo-se as suas distintas regiões de operação. A última contribuição desta tese refere-se à interpretação dos aerofólios cabeados como um caso específico do disco atuador considerado na derivação do limite de Betz para extração de potência do vento. No caso do disco atuador, a potência extraída é abstraída como o produto entre o empuxo sofrido pelo disco e a velocidade do vento atravessando o disco. No caso da turbina eólica de eixo horizontal, a potência dá-se pelo produto entre o torque no disco e a sua velocidade angular. Já no caso do modo de sustentação de Loyd (a fase de tração do pumping kite), a potência decorre do produto entre o empuxo no disco e a velocidade de translação do disco no sentido do vento (velocidade de desenrolamento ). Finalmente, no caso do modo de arrasto de Loyd (turbina acoplada ao aerofólio cabeado), a potência aproveitada surge do produto entre a velocidade tangencial do disco e a força de arrasto (empuxo) sofrida pela turbina. A tese é concluída com a formulação da expressão do coeficiente de potência para o modo de sustentação de Loyd, evidenciando-se o problema do cálculo dos fatores de indução axial, radial, e o ângulo de ataque parcial para cada anel do disco

Automatic Control and Routing of Marine Vessels

Due to the intensive development of the global economy, many problems are constantly emerging connected to the safety of ships’ motion in the context of increasing marine traffic. These problems seem to be especially significant for the further development of marine transportation services, with the need to considerably increase their efficiency and reliability. One of the most commonly used approaches to ensuring safety and efficiency is the wide implementation of various automated systems for guidance and control, including such popular systems as marine autopilots, dynamic positioning systems, speed control systems, automatic routing installations, etc. This Special Issue focuses on various problems related to the analysis, design, modelling, and operation of the aforementioned systems. It covers such actual problems as tracking control, path following control, ship weather routing, course keeping control, control of autonomous underwater vehicles, ship collision avoidance. These problems are investigated using methods such as neural networks, sliding mode control, genetic algorithms, L2-gain approach, optimal damping concept, fuzzy logic and others. This Special Issue is intended to present and discuss significant contemporary problems in the areas of automatic control and the routing of marine vessels

Holistic methods for visual navigation of mobile robots in outdoor environments

Differt D. Holistic methods for visual navigation of mobile robots in outdoor environments. Bielefeld: Universität Bielefeld; 2017