A comparison of multiple techniques for the reconstruction of entry, descent, and landing trajectories and atmospheres

The primary importance of trajectory reconstruction is to assess the accuracy of pre-flight predictions of the entry trajectory. While numerous entry systems have flown, often these systems are not adequately instrumented or the flight team not adequately funded to perform the statistical engineering reconstruction required to quantify performance and feed-forward lessons learned into future missions. As such, entry system performance and reliability levels remain unsubstantiated and improvement in aerothermodynamic and flight dynamics modeling remains data poor. The comparison is done in an effort to quantitatively and qualitatively compare Kalman filtering methods of reconstructing trajectories and atmospheric conditions from entry systems flight data. The first Kalman filter used is the extended Kalman filter. Extended Kalman filtering has been used extensively in trajectory reconstruction both for orbiting spacecraft and for planetary probes. The second Kalman filter is the unscented Kalman filter. Additionally, a technique for using collocation to reconstruct trajectories is formulated, and collocation's usefulness for trajectory simulation is demonstrated for entry, descent, and landing trajectories using a method developed here to deterministically find the state variables of the trajectory without nonlinear programming. Such an approach could allow one to utilize the same collocation trajectory design tools for the subsequent reconstruction.Ph.D.Committee Chair: Braun, Robert; Committee Member: Lisano, Michael; Committee Member: Russell, Ryan; Committee Member: Striepe, Scott; Committee Member: Volovoi, Vital

Optimized state feedback regulation of 3DOF helicopter system via extremum seeking

In this paper, an optimized state feedback regulation of a 3 degree of freedom (DOF) helicopter is designed via extremum seeking (ES) technique. Multi-parameter ES is applied to optimize the tracking performance via tuning State Vector Feedback with Integration of the Control Error (SVFBICE). Discrete multivariable version of ES is developed to minimize a cost function that measures the performance of the controller. The cost function is a function of the error between the actual and desired axis positions. The controller parameters are updated online as the optimization takes place. This method significantly decreases the time in obtaining optimal controller parameters. Simulations were conducted for the online optimization under both fixed and varying operating conditions. The results demonstrate the usefulness of using ES for preserving the maximum attainable performance

Cooperative Localization in Mobile Underwater Acoustic Sensor Networks

Die großflächige Erkundung und Überwachung von Tiefseegebieten gewinnt mehr und mehr an Bedeutung für Industrie und Wissenschaft. Diese schwer zugänglichen Areale in der Tiefsee können nur mittels Teams unbemannter Tauchbote effizient erkundet werden. Aufgrund der hohen Kosten, war bisher ein Einsatz von mehreren autonomen Unterwasserfahrzeugen (AUV) wirtschaftlich undenkbar, wodurch AUV-Teams nur in Simulationen erforscht werden konnten. In den letzten Jahren konnte jedoch eine Entwicklung hin zu günstigeren und robusteren AUVs beobachtet werden. Somit wird der Einsatz von AUV-Teams in Zukunft zu einer realen Option. Die wachsende Nachfrage nach Technologien zur Unterwasseraufklärung und Überwachung konnte diese Entwicklung noch zusätzlich beschleunigen. Eine der größten technischen Hürden für tief tauchende AUVs ist die Unterwasserlokalisierug. Satelitengestützte Navigation ist in der Tiefe nicht möglich, da Radiowellen bereits nach wenigen Metern im Wasser stark an Intensität verlieren. Daher müssen neue Ansätze für die Unterwasserlokalisierung entwickelt werden die sich auch für Fahrzeugenverbände skalieren lassen. Der Einsatz von AUV-Teams ermöglicht nicht nur völlig neue Möglichkeiten der Kooperation, sondern erlaubt auch jedem einzelnen AUV von den Navigationsdaten der anderen Fahrzeuge im Verband zu profitieren, um die eigene Lokalisierung zu verbessern. In dieser Arbeit wird ein kooperativer Lokalisierungsansatz vorgestellt, welcher auf dem Nachrichtenaustausch durch akustische Ultra-Short Base-Line (USBL) Modems basiert. Ein akustisches Modem ermöglicht die Übertragung von Datenpaketen im Wasser, wärend ein USBL-Sensor die Richtung einer akustischen Quelle bestimmen kann. Durch die Kombination von Modem und Sensor entsteht ein wichtiges Messinstrument für die Unterwasserlokalisierung. Wenn ein Fahrzeug ein Datenpaket mit seiner eignen Position aussendet, können andere Fahrzeuge mit einem USBL-Modem diese Nachricht empfangen. In Verbindung mit der Richtungsmessung zur Quelle, können diese Daten von einem Empfangenden AUV verwendet werden, um seine eigene Positionsschatzung zu verbessern. Diese Arbeit schlägt einen Ansatz zur Fusionierung der empfangenen Nachricht mit der Richtungsmessung vor, welcher auch die jeweiligen Messungenauigkeiten berücksichtigt. Um die Messungenauigkeit des komplexen USBL-Sensors bestimmen zu können, wurde zudem ein detailliertes Sensormodell entwickelt. Zunächst wurden existierende Ansätze zur kooperativen Lokalisierung (CL) untersucht, um daraus eine Liste von erwünschten Eigenschaften für eine CL abzuleiten. Darauf aufbauend wurde der Deep-Sea Network Lokalisation (DNL) Ansatz entwickelt. Bei DNL handelt es sich um eine CL Methode, bei der die Skalierbarkeit sowie die praktische Anwendbarkeit im Fokus stehen. DNL ist als eine Zwischenschicht konzipiert, welche USBL-Modem und Navigationssystem miteinander verbindet. Es werden dabei Messwerte und Kommunikationsdaten des USBL zu einer Standortbestimmung inklusive Richtungsschätzung fusioniert und an das Navigationssystem weiter geleitet, ähnlich einem GPS-Sensor. Die Funktionalität von USBL-Modell und DNL konnten evaluiert werden anhand von Messdaten aus Seeerprobungen in der Ostsee sowie im Mittelatlantik. Die Qualität einer CL hangt häufig von vielen unterschiedlichen Faktoren ab. Die Netzwerktopologie muss genauso berücksichtig werden wie die Lokalisierungsfähigkeiten jedes einzelnen Teilnehmers. Auch das Kommunikationsverhalten der einzelnen Teilnehmer bestimmt, welche Informationen im Netzwerk vorhanden sind und hat somit einen starken Einfluss auf die CL. Um diese Einflussfaktoren zu untersuchen, wurden eine Reihe von Szenarien simuliert, in denen Kommunikationsverhalten und Netzwerktopologie für eine Gruppe von AUVs variiert wurden. In diesen Experimenten wurden die AUVs durch ein Oberflächenfahrzeug unterstützt, welches seine geo-referenzierte Position über DNL an die getauchten Fahrzeuge weiter leitete. Anhand der untersuchten Topologie können die Experimente eingeteilt werden in Single-Hop und Multi-Hop. Single-Hop bedeutet, dass jedes AUV sich in der Sendereichweite des Oberflächenfahrzeugs befindet und dessen Positionsdaten auf direktem Wege erhält. Wie die Ergebnisse der Single-Hop Experimente zeigen, kann der Lokalisierungsfehler der AUVs eingegrenzt werden, wenn man DNL verwendet. Dabei korreliert der Lokalisierungsfehler mit der kombinierten Ungenauigkeit von USBL-Messung und Oberflächenfahrzeugposition. Bei den Multi-Hop Experimenten wurde die Topologie so geändert, dass sich nur eines der AUVs in direkter Sendereichweite des Oberflächenfahrzeugs befindet. Dieses AUV verbessert seine Position mit den empfangen Daten des Oberflächenfahrzeugs und sendet wiederum seine verbesserte Position an die anderen AUVs. Auch hier konnte gezeigt werden, dass sich der Lokalisierungfehler der Gruppe mit DNL einschränken lässt. Ändert man nun das Schema der Kommunikation so, dass alle AUVs zyklisch ihre Position senden, zeigte sich eine Verschlechterung der Lokalisierungsqualität der Gruppe. Dieses unerwartet Ergebnis konnte auf einen Teil des DNL-Algorithmus zurück geführt werden. Da die verwendete USBL-Klasse nur die Richtung eines Signals misst, nicht jedoch die Entfernung zum Sender, wird in der DNL-Schicht eine Entfernungsschatzung vorgenommen. Wenn die Kommunikation nicht streng unidirektional ist, entsteht eine Ruckkopplungsschleife, was zu fehlerhaften Entfernungsschatzungen führt. Im letzten Experiment wird gezeigt wie sich dieses Problem vermeiden lasst, mithilfe einer relativ neue USBL-Klasse, die sowohl Richtung als auch Entfernung zum Sender misst. Die zwei wesentlichen Beiträge dieser Arbeit sind das USBL-Model zum einen und zum Anderen, der neue kooperative Lokalisierungsansatz DNL. Mithilfe des Sensormodels lassen sich nicht nur Messabweichungen einer USBL-Messung bestimmen, es kann auch dazu genutzt werden, einige Fehlereinflüsse zu korrigieren. Mit DNL wurde eine skalierbare CL-Methode entwickelt, die sich gut für den den Einsatz bei mobilen Unterwassersensornetzwerken eignet. Durch das Konzept als Zwischenschicht, lasst sich DNL einfach in bestehende Navigationslösungen integrieren, um die Langzeitstabilität der Navigation für große Verbände von tiefgetauchten Fahrzeugen zu gewährleisten. Sowohl USBL-Model als auch DNL sind dabei so ressourcenschonend, dass sie auf dem Computer eines Standard USBL laufen können, ohne die ursprüngliche Funktionalität einzuschränken, was den praktischen Einsatz zusätzlich vereinfacht

Deep-Sea Model-Aided Navigation Accuracy for Autonomous Underwater Vehicles Using Online Calibrated Dynamic Models

In this work, the accuracy of inertial-based navigation systems for autonomous underwater vehicles (AUVs) in typical mapping and exploration missions up to 5000m depth is examined. The benefit of using an additional AUV motion model in the navigation is surveyed. Underwater navigation requires acoustic positioning sensors. In this work, so-called Ultra-Short-Baseline (USBL) devices were used allowing the AUV to localize itself relative to an opposite device attached to a (surface) vehicle. Despite their easy use, the devices\u27 absolute positioning accuracy decreases proportional to range. This makes underwater navigation a sophisticated estimation task requiring integration of multiple sensors for inertial, orientation, velocity and position measurements. First, error models for the necessary sensors are derived. The emphasis is on the USBL devices due to their key role in navigation - besides a velocity sensor based on the Doppler effect. The USBL model is based on theoretical considerations and conclusions from experimental data. The error models and the navigation algorithms are evaluated on real-world data collected during field experiments in shallow sea. The results of this evaluation are used to parametrize an AUV motion model. Usually, such a model is used only for model-based motion control and planning. In this work, however, besides serving as a simulation reference model, it is used as a tool to improve navigation accuracy by providing virtual measurements to the navigation algorithm (model-aided navigation). The benefit of model-aided navigation is evaluated through Monte Carlo simulation in a deep-sea exploration mission. The final and main contributions of this work are twofold. First, the basic expected navigation accuracy for a typical deep-sea mission with USBL and an ensemble of high-quality navigation sensors is evaluated. Secondly, the same setting is examined using model-aided navigation. The model-aiding is activated after the AUV gets close to sea-bottom. This reflects the case where the motion model is identified online which is only feasible if the velocity sensor is close to the ground (e.g. 100m or closer). The results indicate that, ideally, deep-sea navigation via USBL can be achieved with an accuracy in range of 3-15m w.r.t. the expected root-mean-square error. This also depends on the reference vehicle\u27s position at the surface. In case the actual estimation certainty is already below a certain threshold (ca. <4m), the simulations reveal that the model-aided scheme can improve the navigation accuracy w.r.t. position by 3-12%

Feasible, Robust and Reliable Automation and Control for Autonomous Systems

The Special Issue book focuses on highlighting current research and developments in the automation and control field for autonomous systems as well as showcasing state-of-the-art control strategy approaches for autonomous platforms. The book is co-edited by distinguished international control system experts currently based in Sweden, the United States of America, and the United Kingdom, with contributions from reputable researchers from China, Austria, France, the United States of America, Poland, and Hungary, among many others. The editors believe the ten articles published within this Special Issue will be highly appealing to control-systems-related researchers in applications typified in the fields of ground, aerial, maritime vehicles, and robotics as well as industrial audiences

Advanced Sensing and Control for Connected and Automated Vehicles

Connected and automated vehicles (CAVs) are a transformative technology that is expected to change and improve the safety and efficiency of mobility. As the main functional components of CAVs, advanced sensing technologies and control algorithms, which gather environmental information, process data, and control vehicle motion, are of great importance. The development of novel sensing technologies for CAVs has become a hotspot in recent years. Thanks to improved sensing technologies, CAVs are able to interpret sensory information to further detect obstacles, localize their positions, navigate themselves, and interact with other surrounding vehicles in the dynamic environment. Furthermore, leveraging computer vision and other sensing methods, in-cabin humans’ body activities, facial emotions, and even mental states can also be recognized. Therefore, the aim of this Special Issue has been to gather contributions that illustrate the interest in the sensing and control of CAVs

Clothoid-based Planning and Control in Intelligent Vehicles (Autonomous and Manual-Assisted Driving)

[EN] Nowadays, there are many electronic products that incorporate elements and features coming from the research in the field of mobile robotics. For instance, the well-known vacuum cleaning robot Roomba by iRobot, which belongs to the field of service robotics, one of the most active within the sector. There are also numerous autonomous robotic systems in industrial warehouses and plants. It is the case of Autonomous Guided Vehicles (AGVs), which are able to drive completely autonomously in very structured environments. Apart from industry and consumer electronics, within the automotive field there are some devices that give intelligence to the vehicle, derived in most cases from advances in mobile robotics. In fact, more and more often vehicles incorporate Advanced Driver Assistance Systems (ADAS), such as navigation control with automatic speed regulation, lane change and overtaking assistant, automatic parking or collision warning, among other features. However, despite all the advances there are some problems that remain unresolved and can be improved. Collisions and rollovers stand out among the most common accidents of vehicles with manual or autonomous driving. In fact, it is almost impossible to guarantee driving without accidents in unstructured environments where vehicles share the space with other moving agents, such as other vehicles and pedestrians. That is why searching for techniques to improve safety in intelligent vehicles, either autonomous or manual-assisted driving, is still a trending topic within the robotics community. This thesis focuses on the design of tools and techniques for planning and control of intelligent vehicles in order to improve safety and comfort. The dissertation is divided into two parts, the first one on autonomous driving and the second one on manual-assisted driving. The main link between them is the use of clothoids as mathematical formulation for both trajectory generation and collision detection. Among the problems solved the following stand out: obstacle avoidance, rollover avoidance and advanced driver assistance to avoid collisions with pedestrians.[ES] En la actualidad se comercializan infinidad de productos de electrónica de consumo que incorporan elementos y características procedentes de avances en el sector de la robótica móvil. Por ejemplo, el conocido robot aspirador Roomba de la empresa iRobot, el cual pertenece al campo de la robótica de servicio, uno de los más activos en el sector. También hay numerosos sistemas robóticos autónomos en almacenes y plantas industriales. Es el caso de los vehículos autoguiados (AGVs), capaces de conducir de forma totalmente autónoma en entornos muy estructurados. Además de en la industria y en electrónica de consumo, dentro del campo de la automoción también existen dispositivos que dotan de cierta inteligencia al vehículo, derivados la mayoría de las veces de avances en robótica móvil. De hecho, cada vez con mayor frecuencia los vehículos incorporan sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS por sus siglas en inglés), tales como control de navegación con regulación automática de velocidad, asistente de cambio de carril y adelantamiento, aparcamiento automático o aviso de colisión, entre otras prestaciones. No obstante, pese a todos los avances siguen existiendo problemas sin resolver y que pueden mejorarse. La colisión y el vuelco destacan entre los accidentes más comunes en vehículos con conducción tanto manual como autónoma. De hecho, la dificultad de conducir en entornos desestructurados compartiendo el espacio con otros agentes móviles, tales como coches o personas, hace casi imposible garantizar la conducción sin accidentes. Es por ello que la búsqueda de técnicas para mejorar la seguridad en vehículos inteligentes, ya sean de conducción autónoma o manual asistida, es un tema que siempre está en auge en la comunidad robótica. La presente tesis se centra en el diseño de herramientas y técnicas de planificación y control de vehículos inteligentes, para la mejora de la seguridad y el confort. La disertación se ha dividido en dos partes, la primera sobre conducción autónoma y la segunda sobre conducción manual asistida. El principal nexo de unión es el uso de clotoides como elemento de generación de trayectorias y detección de colisiones. Entre los problemas que se resuelven destacan la evitación de obstáculos, la evitación de vuelcos y la asistencia avanzada al conductor para evitar colisiones con peatones.[CA] En l'actualitat es comercialitzen infinitat de productes d'electrònica de consum que incorporen elements i característiques procedents d'avanços en el sector de la robòtica mòbil. Per exemple, el conegut robot aspirador Roomba de l'empresa iRobot, el qual pertany al camp de la robòtica de servici, un dels més actius en el sector. També hi ha nombrosos sistemes robòtics autònoms en magatzems i plantes industrials. És el cas dels vehicles autoguiats (AGVs), els quals són capaços de conduir de forma totalment autònoma en entorns molt estructurats. A més de en la indústria i en l'electrònica de consum, dins el camp de l'automoció també existeixen dispositius que doten al vehicle de certa intel·ligència, la majoria de les vegades derivats d'avanços en robòtica mòbil. De fet, cada vegada amb més freqüència els vehicles incorporen sistemes avançats d'assistència al conductor (ADAS per les sigles en anglés), com ara control de navegació amb regulació automàtica de velocitat, assistent de canvi de carril i avançament, aparcament automàtic o avís de col·lisió, entre altres prestacions. No obstant això, malgrat tots els avanços segueixen existint problemes sense resoldre i que poden millorar-se. La col·lisió i la bolcada destaquen entre els accidents més comuns en vehicles amb conducció tant manual com autònoma. De fet, la dificultat de conduir en entorns desestructurats compartint l'espai amb altres agents mòbils, tals com cotxes o persones, fa quasi impossible garantitzar la conducció sense accidents. És per això que la recerca de tècniques per millorar la seguretat en vehicles intel·ligents, ja siguen de conducció autònoma o manual assistida, és un tema que sempre està en auge a la comunitat robòtica. La present tesi es centra en el disseny d'eines i tècniques de planificació i control de vehicles intel·ligents, per a la millora de la seguretat i el confort. La dissertació s'ha dividit en dues parts, la primera sobre conducció autònoma i la segona sobre conducció manual assistida. El principal nexe d'unió és l'ús de clotoides com a element de generació de trajectòries i detecció de col·lisions. Entre els problemes que es resolen destaquen l'evitació d'obstacles, l'evitació de bolcades i l'assistència avançada al conductor per evitar col·lisions amb vianants.Girbés Juan, V. (2016). Clothoid-based Planning and Control in Intelligent Vehicles (Autonomous and Manual-Assisted Driving) [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/65072TESI

Underwater Vehicles

For the latest twenty to thirty years, a significant number of AUVs has been created for the solving of wide spectrum of scientific and applied tasks of ocean development and research. For the short time period the AUVs have shown the efficiency at performance of complex search and inspection works and opened a number of new important applications. Initially the information about AUVs had mainly review-advertising character but now more attention is paid to practical achievements, problems and systems technologies. AUVs are losing their prototype status and have become a fully operational, reliable and effective tool and modern multi-purpose AUVs represent the new class of underwater robotic objects with inherent tasks and practical applications, particular features of technology, systems structure and functional properties

Automatic Flight Control Systems

The history of flight control is inseparably linked to the history of aviation itself. Since the early days, the concept of automatic flight control systems has evolved from mechanical control systems to highly advanced automatic fly-by-wire flight control systems which can be found nowadays in military jets and civil airliners. Even today, many research efforts are made for the further development of these flight control systems in various aspects. Recent new developments in this field focus on a wealth of different aspects. This book focuses on a selection of key research areas, such as inertial navigation, control of unmanned aircraft and helicopters, trajectory control of an unmanned space re-entry vehicle, aeroservoelastic control, adaptive flight control, and fault tolerant flight control. This book consists of two major sections. The first section focuses on a literature review and some recent theoretical developments in flight control systems. The second section discusses some concepts of adaptive and fault-tolerant flight control systems. Each technique discussed in this book is illustrated by a relevant example