PWM and PFM for visual servoing in fully decoupled approaches

In this paper, novel visual servoing techniques based on Pulse Width Modulation (PWM) and Pulse Frequency Modulation (PFM) are presented. In order to apply previous pulse modulations, a fully decoupled position based visual servoing approach (i.e. with block-diagonal interaction matrix) is considered, controlling independently translational and rotational camera motions. These techniques, working at high frequency, could be considered to address the sensor latency problem inherent in visual servoing systems. The expected appearance of ripple due to the concentration of the control action in pulses is quantified and analyzed under simulated scenario. This high frequency ripple does not affect the system performance since it is filtered by the manipulator dynamics. On the contrary it can be seen as a dither signal to minimize the impact of friction and overcome back-lashing.This work was supported in part by the Spanish Government under Grant BES-2010-038486 and Project DPI2013-42302-R.Muñoz Benavent, P.; Solanes Galbis, JE.; Gracia Calandin, LI.; Tornero Montserrat, J. (2015). PWM and PFM for visual servoing in fully decoupled approaches. Robotics and Autonomous Systems. 65(1):57-64. doi:10.1016/j.robot.2014.11.011S576465

Robot Visual Servoing Using Discontinuous Control

This work presents different proposals to deal with common problems in robot visual servoing based on the application of discontinuous control methods. The feasibility and effectiveness of the proposed approaches are substantiated by simulation results and real experiments using a 6R industrial manipulator. The main contributions are: - Geometric invariance using sliding mode control (Chapter 3): the defined higher-order invariance is used by the proposed approaches to tackle problems in visual servoing. Proofs of invariance condition are presented. - Fulfillment of constraints in visual servoing (Chapter 4): the proposal uses sliding mode methods to satisfy mechanical and visual constraints in visual servoing, while a secondary task is considered to properly track the target object. The main advantages of the proposed approach are: low computational cost, robustness and fully utilization of the allowed space for the constraints. - Robust auto tool change for industrial robots using visual servoing (Chapter 4): visual servoing and the proposed method for constraints fulfillment are applied to an automated solution for tool changing in industrial robots. The robustness of the proposed method is due to the control law of the visual servoing, which uses the information acquired by the vision system to close a feedback control loop. Furthermore, sliding mode control is simultaneously used in a prioritized level to satisfy the aforementioned constraints. Thus, the global control accurately places the tool in the warehouse, but satisfying the robot constraints. - Sliding mode controller for reference tracking (Chapter 5): an approach based on sliding mode control is proposed for reference tracking in robot visual servoing using industrial robot manipulators. The novelty of the proposal is the introduction of a sliding mode controller that uses a high-order discontinuous control signal, i.e., joint accelerations or joint jerks, in order to obtain a smoother behavior and ensure the robot system stability, which is demonstrated with a theoretical proof. - PWM and PFM for visual servoing in fully decoupled approaches (Chapter 6): discontinuous control based on pulse width and pulse frequency modulation is proposed for fully decoupled position based visual servoing approaches, in order to get the same convergence time for camera translation and rotation. Moreover, other results obtained in visual servoing applications are also described.Este trabajo presenta diferentes propuestas para tratar problemas habituales en el control de robots por realimentación visual, basadas en la aplicación de métodos de control discontinuos. La viabilidad y eficacia de las propuestas se fundamenta con resultados en simulación y con experimentos reales utilizando un robot manipulador industrial 6R. Las principales contribuciones son: - Invariancia geométrica utilizando control en modo deslizante (Capítulo 3): la invariancia de alto orden definida aquí es utilizada después por los métodos propuestos, para tratar problemas en control por realimentación visual. Se apuertan pruebas teóricas de la condición de invariancia. - Cumplimiento de restricciones en control por realimentación visual (Capítulo 4): esta propuesta utiliza métodos de control en modo deslizante para satisfacer restricciones mecánicas y visuales en control por realimentación visual, mientras una tarea secundaria se encarga del seguimiento del objeto. Las principales ventajas de la propuesta son: bajo coste computacional, robustez y plena utilización del espacio disponible para las restricciones. - Cambio de herramienta robusto para un robot industrial mediante control por realimentación visual (Capítulo 4): el control por realimentación visual y el método propuesto para el cumplimiento de las restricciones se aplican a una solución automatizada para el cambio de herramienta en robots industriales. La robustez de la propuesta radica en el uso del control por realimentación visual, que utiliza información del sistema de visión para cerrar el lazo de control. Además, el control en modo deslizante se utiliza simultáneamente en un nivel de prioridad superior para satisfacer las restricciones. Así pues, el control es capaz de dejar la herramienta en el intercambiador de herramientas de forma precisa, a la par que satisface las restricciones del robot. - Controlador en modo deslizante para seguimiento de referencia (Capítulo 5): se propone un enfoque basado en el control en modo deslizante para seguimiento de referencia en robots manipuladores industriales controlados por realimentación visual. La novedad de la propuesta radica en la introducción de un controlador en modo deslizante que utiliza la señal de control discontinua de alto orden, i.e. aceleraciones o jerks de las articulaciones, para obtener un comportamiento más suave y asegurar la estabilidad del sistema robótico, lo que se demuestra con una prueba teórica. - Control por realimentación visual mediante PWM y PFM en métodos completamente desacoplados (Capítulo 6): se propone un control discontinuo basado en modulación del ancho y frecuencia del pulso para métodos completamente desacoplados de control por realimentación visual basados en posición, con el objetivo de conseguir el mismo tiempo de convergencia para los movimientos de rotación y traslación de la cámara . Además, se presentan también otros resultados obtenidos en aplicaciones de control por realimentación visual.Aquest treball presenta diferents propostes per a tractar problemes habituals en el control de robots per realimentació visual, basades en l'aplicació de mètodes de control discontinus. La viabilitat i eficàcia de les propostes es fonamenta amb resultats en simulació i amb experiments reals utilitzant un robot manipulador industrial 6R. Les principals contribucions són: - Invariància geomètrica utilitzant control en mode lliscant (Capítol 3): la invariància d'alt ordre definida ací és utilitzada després pels mètodes proposats, per a tractar problemes en control per realimentació visual. S'aporten proves teòriques de la condició d'invariància. - Compliment de restriccions en control per realimentació visual (Capítol 4): aquesta proposta utilitza mètodes de control en mode lliscant per a satisfer restriccions mecàniques i visuals en control per realimentació visual, mentre una tasca secundària s'encarrega del seguiment de l'objecte. Els principals avantatges de la proposta són: baix cost computacional, robustesa i plena utilització de l'espai disponible per a les restriccions. - Canvi de ferramenta robust per a un robot industrial mitjançant control per realimentació visual (Capítol 4): el control per realimentació visual i el mètode proposat per al compliment de les restriccions s'apliquen a una solució automatitzada per al canvi de ferramenta en robots industrials. La robustesa de la proposta radica en l'ús del control per realimentació visual, que utilitza informació del sistema de visió per a tancar el llaç de control. A més, el control en mode lliscant s'utilitza simultàniament en un nivell de prioritat superior per a satisfer les restriccions. Així doncs, el control és capaç de deixar la ferramenta en l'intercanviador de ferramentes de forma precisa, a la vegada que satisfà les restriccions del robot. - Controlador en mode lliscant per a seguiment de referència (Capítol 5): es proposa un enfocament basat en el control en mode lliscant per a seguiment de referència en robots manipuladors industrials controlats per realimentació visual. La novetat de la proposta radica en la introducció d'un controlador en mode lliscant que utilitza senyal de control discontínua d'alt ordre, i.e. acceleracions o jerks de les articulacions, per a obtindre un comportament més suau i assegurar l'estabilitat del sistema robòtic, la qual cosa es demostra amb una prova teòrica. - Control per realimentació visual mitjançant PWM i PFM en mètodes completament desacoblats (Capítol 6): es proposa un control discontinu basat en modulació de l'ample i la freqüència del pols per a mètodes completament desacoblats de control per realimentació visual basats en posició, amb l'objectiu d'aconseguir el mateix temps de convergència per als moviments de rotació i translació de la càmera. A més, es presenten també altres resultats obtinguts en aplicacions de control per realimentació visual.Muñoz Benavent, P. (2017). Robot Visual Servoing Using Discontinuous Control [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90430TESI

MULTI-RATE VISUAL FEEDBACK ROBOT CONTROL

[EN] This thesis deals with two characteristic problems in visual feedback robot control: 1) sensor latency; 2) providing suitable trajectories for the robot and for the measurement in the image. All the approaches presented in this work are analyzed and implemented on a 6 DOF industrial robot manipulator or/and a wheeled robot. Focusing on the sensor latency problem, this thesis proposes the use of dual-rate high order holds within the control loop of robots. In this sense, the main contributions are: - Dual-rate high order holds based on primitive functions for robot control (Chapter 3): analysis of the system performance with and without the use of this multi-rate technique from non-conventional control. In addition, as consequence of the use of dual-rate holds, this work obtains and validates multi-rate controllers, especially dual-rate PIDs. - Asynchronous dual-rate high order holds based on primitive functions with time delay compensation (Chapter 3): generalization of asynchronous dual-rate high order holds incorporating an input signal time delay compensation component, improving thus the inter-sampling estimations computed by the hold. It is provided an analysis of the properties of such dual-rate holds with time delay compensation, comparing them with estimations obtained by the equivalent dual-rate holds without this compensation, as well as their implementation and validation within the control loop of a 6 DOF industrial robot manipulator. - Multi-rate nonlinear high order holds (Chapter 4): generalization of the concept of dual-rate high order holds with nonlinear estimation models, which include information about the plant to be controlled, the controller(s) and sensor(s) used, obtained from machine learning techniques. Thus, in order to obtain such a nonlinear hold, it is described a methodology non dependent of the machine technique used, although validated using artificial neural networks. Finally, an analysis of the properties of these new holds is carried out, comparing them with their equivalents based on primitive functions, as well as their implementation and validation within the control loop of an industrial robot manipulator and a wheeled robot. With respect to the problem of providing suitable trajectories for the robot and for the measurement in the image, this thesis presents the novel reference features filtering control strategy and its generalization from a multi-rate point of view. The main contributions in this regard are: - Reference features filtering control strategy (Chapter 5): a new control strategy is proposed to enlarge significantly the solution task reachability of robot visual feedback control. The main idea is to use optimal trajectories proposed by a non-linear EKF predictor-smoother (ERTS), based on Rauch-Tung-Striebel (RTS) algorithm, as new feature references for an underlying visual feedback controller. In this work it is provided both the description of the implementation algorithm and its implementation and validation utilizing an industrial robot manipulator. - Dual-rate Reference features filtering control strategy (Chapter 5): a generalization of the reference features filtering approach from a multi-rate point of view, and a dual Kalman-smoother step based on the relation of the sensor and controller frequencies of the reference filtering control strategy is provided, reducing the computational cost of the former algorithm, as well as addressing the problem of the sensor latency. The implementation algorithms, as well as its analysis, are described.[ES] La presente tesis propone soluciones para dos problemas característicos de los sistemas robóticos cuyo bucle de control se cierra únicamente empleando sensores de visión artificial: 1) la latencia del sensor; 2) la obtención de trayectorias factibles tanto para el robot así como para las medidas obtenidas en la imagen. Todos los métodos propuestos en este trabajo son analizados, validados e implementados utilizando brazo robot industrial de 6 grados de libertad y/o en un robot con ruedas. Atendiendo al problema de la latencia del sensor, esta tesis propone el uso de retenedores bi-frequencia de orden alto dentro de los lazos de control de robots. En este aspecto las principales contribuciones son: -Retenedores bi-frecuencia de orden alto basados en funciones primitivas dentro de lazos de control de robots (Capítulo 3): análisis del comportamiento del sistema con y sin el uso de esta técnica de control no convencional. Además, como consecuencia del empleo de los retenedores, obtención y validación de controladores multi-frequencia, concretamente de PIDs bi-frecuencia. -Retenedores bi-frecuencia asíncronos de orden alto basados en funciones primitivas con compensación de retardos (Capítulo 3): generalización de los retenedores bi-frecuencia asíncronos de orden alto incluyendo una componente de compensación del retardo en la señal de entrada, mejorando así las estimaciones inter-muestreo calculadas por el retenedor. Se proporciona un análisis de las propiedades de los retenedores con compensación del retardo, comparándolas con las obtenidas por sus predecesores sin compensación, así como su implementación y validación en un brazo robot de 6 grados de libertad. -Retenedores multi-frecuencia no lineales de orden alto (Capítulo 4): generalización del concepto de retenedor bi-frecuencia de orden alto con modelos de estimación no lineales, los cuales incluyen información tanto de la planta a controlar, como del controlador(es) y sensor(es) empleado(s), obtenida a partir de técnicas de aprendizaje. Así pues, para obtener dicho retenedor no lineal, se describe una metodología independiente de la herramienta de aprendizaje utilizada, aunque validada con el uso de redes neuronales artificiales. Finalmente se realiza un análisis de las propiedades de estos nuevos retenedores, comparándolos con sus predecesores basados en funciones primitivas, así como su implementación y validación en un brazo robot de 6 grados de libertad y en un robot móvil con ruedas. Por lo que respecta al problema de generación de trayectorias factibles para el robot y para la medida en la imagen, esta tesis propone la nueva estrategia de control basada en el filtrado de la referencia y su generalización desde el punto de vista multi-frecuencial. -Estrategia de control basada en el filtrado de la referencia (Capítulo 5): una nueva estrategia de control se propone para ampliar significativamente el espacio de soluciones de los sistemas robóticos realimentados con sensores de visión artificial. La principal idea es utilizar las trayectorias óptimas obtenidas por una trayectoria predicha por un filtro de Kalman seguido de un suavizado basado en el algoritmo Rauch-Tung-Striebel (RTS) como nuevas referencias para un controlador dado. En este trabajo se proporciona tanto la descripción del algoritmo como su implementación y validación empleando un brazo robótico industrial. -Estrategia de control bi-frecuencia basada en el filtrado de la referencia (Capítulo 5): generalización de la estrategia de control basada en filtrado de la referencia desde un punto de vista multi-frecuencial, con un filtro de Kalman multi-frecuencia y un Kalman-smoother dual basado en la relación existente entre las frecuencias del sensor y del controlador, reduciendo así el coste computacional del algoritmo y, al mismo tiempo, dando solución al problema de la latencia del sensor. La validación se realiza utilizando un barzo robot industria asi[CA] La present tesis proposa solucions per a dos problemes característics dels sistemes robòtics el els que el bucle de control es tanca únicament utilitzant sensors de visió artificial: 1) la latència del sensor; 2) l'obtenció de trajectòries factibles tant per al robot com per les mesures en la imatge. Tots els mètodes proposats en aquest treball son analitzats, validats e implementats utilitzant un braç robot industrial de 6 graus de llibertat i/o un robot amb rodes. Atenent al problema de la latència del sensor, esta tesis proposa l'ús de retenidors bi-freqüència d'ordre alt a dins del llaços de control de robots. Al respecte, les principals contribucions son: - Retenidors bi-freqüència d'ordre alt basats en funcions primitives a dintre dels llaços de control de robots (Capítol 3): anàlisis del comportament del sistema amb i sense l'ús d'aquesta tècnica de control no convencional. A més a més, com a conseqüència de l'ús dels retenidors, obtenció i validació de controladors multi-freqüència, concretament de PIDs bi-freqüència. - Retenidors bi-freqüència asíncrons d'ordre alt basats en funcions primitives amb compensació de retards (Capítol 3): generalització dels retenidors bi-freqüència asíncrons d'ordre alt inclouen una component de compensació del retràs en la senyal d'entrada al retenidor, millorant així les estimacions inter-mostreig calculades per el retenidor. Es proporciona un anàlisis de les propietats dels retenidors amb compensació del retràs, comparant-les amb les obtingudes per el seus predecessors sense la compensació, així com la seua implementació i validació en un braç robot industrial de 6 graus de llibertat. - Retenidors multi-freqüència no-lineals d'ordre alt (Capítol 4): generalització del concepte de retenidor bi-freqüència d'ordre alt amb models d'estimació no lineals, incloent informació tant de la planta a controlar, com del controlador(s) i sensor(s) utilitzat(s), obtenint-la a partir de tècniques d'aprenentatge. Així doncs, per obtindre el retenidor no lineal, es descriu una metodologia independent de la ferramenta d'aprenentatge utilitzada, però validada amb l'ús de rets neuronals artificials. Finalment es realitza un anàlisis de les propietats d'aquestos nous retenidors, comparant-los amb els seus predecessors basats amb funcions primitives, així com la seua implementació i validació amb un braç robot de 6 graus de llibertat i amb un robot mòbil de rodes. Per el que respecta al problema de generació de trajectòries factibles per al robot i per la mesura en la imatge, aquesta tesis proposa la nova estratègia de control basada amb el filtrat de la referència i la seua generalització des de el punt de vista multi-freqüència. - Estratègia de control basada amb el filtrat de la referència (Capítol 5): una nova estratègia de control es proposada per ampliar significativament l'espai de solucions dels sistemes robòtics realimentats amb sensors de visió artificial. La principal idea es la d'utilitzar les trajectòries optimes obtingudes per una trajectòria predita per un filtre de Kalman seguit d'un suavitzat basat en l'algoritme Rauch-Tung-Striebel (RTS) com noves referències per a un control donat. En aquest treball es proporciona tant la descripció del algoritme així com la seua implementació i validació utilitzant un braç robòtic industrial de 6 graus de llibertat. - Estratègia de control bi-freqüència basada en el filtrat (Capítol 5): generalització de l'estratègia de control basada am filtrat de la referència des de un punt de vista multi freqüència, amb un filtre de Kalman multi freqüència i un Kalman-Smoother dual basat amb la relació existent entre les freqüències del sensor i del controlador, reduint així el cost computacional de l'algoritme i, al mateix temps, donant solució al problema de la latència del sensor. L'algoritme d'implementació d'aquesta tècnica, així com la seua validaciSolanes Galbis, JE. (2015). MULTI-RATE VISUAL FEEDBACK ROBOT CONTROL [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/57951TESI

Modeling and nonlinear adaptive control of an aerial manipulation system

Autonomous aerial robots have become an essential part of many civilian and military applications. The workspace and agility of these vehicles motivated great research interest resulting in various studies addressing their control architectures and mechanical configurations. Increasing autonomy enabled them to perform tasks such as surveillance, inspection and remote sensing in hazardous and challenging environments. The ongoing research promises further contributions to the society, in both theory and practice. To furthermore extend their vast applications, aerial robots are equipped with the tools to enable physical interaction with the environment. These tasks represent a great challenge due to the technological limitations as well as the lack of sophisticated methods necessary for the control of the system to perform desired operations in an efficient and stable manner. Modeling and control problem of an aerial manipulation is still an open research topic with many studies addressing these issues from different perspectives. This thesis deals with the nonlinear adaptive control of an aerial manipulation system (AMS). The system consists of a quadrotor equipped with a 2 degrees of freedom (DOF) manipulator. The complete modeling of the system is done using the Euler-Lagrange method. A hierarchical nonlinear control structure which consists of outer and inner control loops has been utilized. Model Reference Adaptive Controller (MRAC) is designed for the outer loop where the required command signals are generated to force the quadrotor to move on a reference trajectory in the presence of mass uncertainties and reaction forces coming from the manipulator. For the inner loop, the attitude dynamics of the quadrotor and the joint dynamics of the 2-DOF robotic arm are considered as a fully actuated 5-DOF unified part of the AMS. Nonlinear adaptive control has been utilized for the low-level controller where the changes in inertias have been considered. The proposed controller is tested on a high fidelity AMS model in the presence of uncertainties, wind disturbances and measurement noise, and satisfactory trajectory tracking performance with improved robustness is achieved

Molecular phylogeny of horseshoe crab using mitochondrial Cox1 gene as a benchmark sequence

An effort to assess the utility of 650 bp Cytochrome C oxidase subunit I (DNA barcode) gene in delineating the members horseshoe crabs (Family: xiphosura) with closely related sister taxa was made. A total of 33 sequences were extracted from National Center for Biotechnological Information (NCBI) which include horseshoe crabs, beetles, common crabs and scorpion sequences. Constructed phylogram showed beetles are closely related with horseshoe crabs than common crabs. Scorpion spp were distantly related to xiphosurans. Phylogram and observed genetic distance (GD) date were also revealed that Limulus polyphemus was closely related with Tachypleus tridentatus than with T.gigas. Carcinoscorpius rotundicauda was distantly related with L.polyphemus. The observed mean Genetic Distance (GD) value was higher in 3rd codon position in all the selected group of organisms. Among the horseshoe crabs high GC content was observed in L.polyphemus (38.32%) and lowest was observed in T.tridentatus (32.35%). We conclude that COI sequencing (barcoding) could be used in identifying and delineating evolutionary relatedness with closely related specie

Crab and cockle shells as heterogeneous catalysts in the production of biodiesel

In the present study, the waste crab and cockle shells were utilized as source of calcium oxide to transesterify palm olein into methyl esters (biodiesel). Characterization results revealed that the main component of the shells are calcium carbonate which transformed into calcium oxide upon activated above 700 °C for 2 h. Parametric studies have been investigated and optimal conditions were found to be catalyst amount, 5 wt.% and methanol/oil mass ratio, 0.5:1. The waste catalysts perform equally well as laboratory CaO, thus creating another low-cost catalyst source for producing biodiesel. Reusability results confirmed that the prepared catalyst is able to be reemployed up to five times. Statistical analysis has been performed using a Central Composite Design to evaluate the contribution and performance of the parameters on biodiesel purity