Optical tracking control of a differentially-driven wheeled robot

Mobile robotics has become an increasingly ubiquitous technology in modern times. A typical example is the wheeled mobile robot (WMR). In order for a WMR to function effectively, it must demonstrate excellent tracking control and localisation capabilities. This is achieved by having accurate and responsive control algorithms as well as high-precision sensor systems. However, this often requires complicated algorithms and expensive equipment. This thesis proposes a system to show that good tracking performance can be achieved with moderately simple control algorithm and relatively inexpensive hardware. The platform used in this research was a differentially-driven wheeled robot constructed using the Lego MindstormsNXT system. Positional tracking was provided by two Avago optical laser sensors commonly found on the computer mouse. The main programming environments were MATLAB and Simulink, along with several other open-source applications. In the first part of the thesis, a PID-based system is presented along with the two control schemes. The first is a purely kinematic model and the second includes dynamic constraints. For both versions, a cascaded PID design was employed and settings were manually tuned. The final mathematical models were computationally simulated and their respective results were analysed and compared. Hardware validation was not conducted for this phase of the research as the simulation results suggested that the PID-based system may not produce the desired level of tracking performance. The second part of the thesis explores a model reference adaptive control system. Lyapunov's direct method was used to achieve stability and convergence in the system. In contrast to the PID-based model, a vastly more accurate geometric localisation technique was applied. The research identified a number of shortcomings in current geometric localisation methods and suggested ways to mitigate them. In addition, a novel approach for detecting faulty sensor readings was introduced in conjunction with the development of a semi-redundant system. The eventual theoretical model was tested using computer simulation, and the outcome was contrasted with the results of the PID-based system. This was followed by the construction of a prototype in order to verify the validity of the proposed model. Various configurations of the adaptive model were tested and compared: the two localisation methods, use of single and dual sensors, and application of semi-redundancy. The thesis concludes with the analysis of results of the prototype testing. The theoretical propositions in the thesis were shown to be amply validated. Suggestions for future research work are also presented

Robot Manipulators

Robot manipulators are developing more in the direction of industrial robots than of human workers. Recently, the applications of robot manipulators are spreading their focus, for example Da Vinci as a medical robot, ASIMO as a humanoid robot and so on. There are many research topics within the field of robot manipulators, e.g. motion planning, cooperation with a human, and fusion with external sensors like vision, haptic and force, etc. Moreover, these include both technical problems in the industry and theoretical problems in the academic fields. This book is a collection of papers presenting the latest research issues from around the world

Desarrollo y validación de un modelo dinámico para una pila de combustible tipo PEM

JORNADAS DE AUTOMÁTICA (27) (27.2006.ALMERÍA)El objetivo de este trabajo es realizar un modelo dinámico detallado de una pila de combustible tipo PEM de 1.2 kW de potencia nominal. El modelo desarrollado incluye efectos como el ’flooding’ y la dinámica de la temperatura y es de utilidad para poder diseñar y ensayar controles tanto de la válvula de purga como de la refrigeración de la pila mediante un ventilador. Se ha desarrollado un novedoso tratamiento de la ecuación experimental que modela la curva de polarización que simplifica considerablemente su caracterización. Por último el modelo realizado ha sido validado con datos tomados de una pila real

Modelização cinzenta aplicada à síntese de controladores com baixa complexidade

Doutoramento em Engenharia ElectrotécnicaNas últimas décadas tem-se assistido à automatização generalizada da maioria dos sistemas e equipamentos que nos rodeiam no dia-a-dia, desde os sistemas industriais, de transporte, até aos pequenos electrodomésticos. A automatização dos sistemas torna-os mais inteligentes, no sentido de maior capacidade de adaptação operacional e maior eficácia, facilitando e simplificando a sua utilização. O problema que serviu de motivação ao desenvolvimento deste trabalho foi precisamente a automatização de um equipamento de aquecimento de água a gás, conhecido por esquentador doméstico. Neste sentido, o presente trabalho propõe novas estratégias de automatização inteligentes para o controlo de um esquentador, adaptadas à execução em sistemas embutidos de baixo poder de cálculo. Este trabalho suporta a tese de que a utilização de modelos com um elevado nível de interpretabilidade propicia a construção de estruturas com baixa complexidade matemática, potenciando a simplicidade das malhas de controlo. A interpretabilidade dos modelos deste tipo, tipicamente classificados como de caixa cinzenta ou cinzentos, depende do tipo de conhecimentos utilizados e incorporados na sua construção. Existindo, desde modelos construídos e identificados com base em dados de entrada e saída que apresentam baixos níveis de interpretabilidade, passando por modelos baseados em conhecimentos experimentais com níveis de interpretabilidade intermédios até modelos baseados em conhecimentos fenomenológicos que apresentam elevados níveis de interpretabilidade. Com o objectivo de construir modelos para o esquentador com um razoável nível de interpretabilidade são neste trabalho apresentados e explorados três métodos de modelização neuro-difusa (modelização cinzenta escura) orientada por blocos (modelização cinzenta) e híbrida (modelização cinzenta clara). Neste âmbito, são propostos como modelos para o esquentador: o modelo neuro-difuso, Hammerstein adaptativo polinomial/neuro-difuso e híbrido série polinomial/neuro-difuso. Utilizando os referidos modelos são propostas três malhas de controlo baseadas no controlador Smith preditivo, com algumas simplificações que resultam da interpretabilidade dos respectivos modelos, tal como a linearização do esquentador relativamente ao fluxo de gás. Finalmente, os desempenhos dos vários controladores assim como os respectivos níveis de interpretabilidade e de complexidade matemática são comparados. Este trabalho apresenta diversas contribuições ao nível das diferentes abordagens de modelização e da definição de algoritmos de controlo a aplicar num esquentador doméstico: · Definição e identificação do modelo neuro-difuso, dos modelos Hammerstein adaptativo polinomial/neuro-difuso e dos modelos híbridos série polinomial/neuro-difuso, que exploram as várias metodologias de combinação de conhecimentos a priori na sua construção (modelização cinzenta); · Proposta de definição da equação de balanço de energias de um esquentador doméstico; · Proposta de alteração da malha de controlo Smith preditivo de forma a linearizar o sistema relativamente a uma dada variável de entrada; · Apresentação da malha de controlo Smith preditivo para sistemas com múltiplas entradas com diferentes tempos mortos; · Aplicação dos vários modelos cinzentos no controlo automático de um esquentador doméstico, obtendo controladores adaptativos e não adaptativos de complexidade matemática relativamente baixa. Este trabalho disponibiliza uma gama diversificada de soluções de controlo automático para o esquentador com semelhantes níveis de desempenho, mas com diferentes níveis de interpretabilidade e de complexidade matemática. De referir que os testes e as avaliações das soluções de controlo apresentadas, além de simuladas antecipadamente num computador, foram efectuados com dados reais

Forschungsbericht Universität Mannheim 2006 / 2007

Sie erhalten darin zum einen zusammenfassende Darstellungen zu den Forschungsschwerpunkten und Forschungsprofilen der Universität und deren Entwicklung in der Forschung. Zum anderen gibt der Forschungsbericht einen Überblick über die Publikationen und Forschungsprojekte der Lehrstühle, Professuren und zentralen Forschungseinrichtungen. Diese werden ergänzt um Angaben zur Organisation von Forschungsveranstaltungen, der Mitwirkung in Forschungsausschüssen, einer Übersicht zu den für Forschungszwecke eingeworbenen Drittmitteln, zu den Promotionen und Habilitationen, zu Preisen und Ehrungen und zu Förderern der Universität Mannheim. Darin zeigt sich die Bandbreite und Vielseitigkeit der Forschungsaktivitäten und deren Erfolg auf nationaler und internationaler Ebene