Accelerating Extremum Seeking Convergence by Richardson Extrapolation Methods

In this paper, we propose the concept of accelerated convergence that has originally been developed to speed up the convergence of numerical methods for extremum seeking (ES) loops. We demonstrate how the dynamics of ES loops may be analyzed to extract structural information about the generated output of the loop. This information is then used to distil the limit of the loop without having to wait for the system to converge to it

An Open-Source Benchmark Simulator: Control of a BlueROV2 Underwater Robot

This paper presents a simulation model environment for the popular and low-cost remotely operated vehicle (ROV) BlueROV2 implemented in Simulink™ which has been designed and experimentally validated for benchmark control algorithms for underwater vehicles. The BlueROV2 model is based on Fossen’s equations and includes a kinematic model of the vehicle, the hydrodynamics of vehicle and water interaction, a dynamic model of the thrusters, and, lastly, the gravitational/buoyant forces. The hydrodynamic parameters and thruster model have been validated in a test facility. The benchmark model also includes the ocean current, modeled as constant velocity. The tether connecting the ROV to the top-site facility has been modeled using the lumped mass method and is implemented as a force input to the ROV model. At last, to show the usefulness of the benchmark model, a case study is presented where a BlueROV2 is deployed to inspect an offshore monopile structure. The case study uses a sliding mode controller designed for the BlueROV2. The controller fulfills the design criteria defined for the case study by following the provided trajectory with a low error. It is concluded that the simulator establishes a benchmark for future control schemes for position control and trajectory tracking under the influence of environmental disturbances

Projektlaufzeit: 01.01.2011 - 31.12.2013 = Sea water quality monitoring and management (SALMON)

Das Ziel des SALMON Projektes war die Entwicklung einer Systemlösung zur automatischen Überwachung und Analyse der Wasserqualität auf der Basis eines autonomen Unterwasserfahrzeuges (AUV). Dabei wurde bei der Entwicklung des Sensorsystems auf die vorhandene Expertise von -4H- JENA engineering GmbH (4HJE) bei der optischen in situ-Detektion von Nitrat zurückgegriffen. Eine Herausforderung für 4HJE war es, ein miniaturisiertes Komplettsystem zur Messung der Wasserqualität zu entwickeln, welches in das bestehende Unterwasserfahrzeug integriert werden kann und den Umwelteinflüssen Unterwasser (Druck, Temperatur) standhält. Dazu wurde Sensorik unterschiedlicher Hersteller und miniaturisierte Industrie-PCs in das Nutzlastsegment implementiert und die erforderliche Software zur automatischen Wasserqualitätsmessung und -auswertung entwickelt. Der Versuchsträger, das ferngesteuerte Unterwasserfahrzeug (ROV) „CWolf“, wurde vom Fraunhofer Anwendungszentrum Systemtechnik Ilmenau (AST) zur Verfügung gestellt. Durch die große Erfahrung bei der Entwicklung von Unterwasserfahrzeugen war das AST maßgeblich an der Spezifikation der Soft- und Hardware-Schnittstellen zum Versuchsträger AUV „CWolf“ beteiligt. Für die Arbeitsgruppe am AST bestand die Aufgabe darin, das Fahrzeug für die Aufnahme des Sensormoduls und den autonomen Betrieb umzurüsten. Des Weiteren übernahm das AST die Betreuung des Fahrzeuges während der Systemintegration, den Schubtests im AST-Testbecken, den Testfahrten in regionalen Talsperren sowie beim Abschlusstest in Norwegen. Die Projektkoordination und die Entwicklung der autonomen Führungsalgorithmen wurden am Institut für Automatisierungs- und Systemtechnik der Technischen Universität Ilmenau durchgeführt. Dazu entwickelte das Fachgebiet Systemanalyse (SAG) ein menügeführtes Planungstool für die Offlineplanung von Fahrzeugmissionen. Die C++-Programmierung der notwendigen Fahrzeugsoftware zur autonomen Führung und deren Überprüfung im entwickelten Simulationssystem war ein weiterer Arbeitsschwerpunkt der Forschergruppe. Das Fachgebiet Regelungstechnik (CEG) erstellte für den Autopiloten des Fahrzeuges ein Konzept einer robusten Folgeregelung basierend auf einer Störungs- und Zustandsschätzung. Dabei konnte auf die Expertise bei der Überwachung und Steuerung von Unterwasserfahrzeugen im küstennahen Bereich des Mads Clausen Institute (MCI) zurückgegriffen werden. Die erarbeitete Systemlösung zur Integration eines Sensorsystems in ein Unterwasserfahrzeug zeichnet sich durch ein modulares Konzept im Bereich der Hard- und Software aus. So ist es auch möglich, andere Applikationsaufgaben mit einem Minimum an hard- und softwaretechnischen Schnittstellen zwischen Nutzlastsegment und Fahrzeug zu lösen. Eine erste Anwendung des entwickelten Systems war die Analyse der Wasserqualität in der Umgebung von Fischfarmen in Norwegen. Das Norwegische Institute of Marine Research (IMR) unterstützte mit seiner Erfahrung bei der Erstellung eines Anforderungskataloges und stellte die Infrastruktur und ein Seegebiet für den Abschlusstest zur Verfügung. Während der gesamten Seetests arbeitete das Sensorsystem zuverlässig und lieferte auswertbare Messungen zur Wasserqualität. Durch die praktischen Erfahrungen der Projektgruppe mit dem System, dem erkannten Verbesserungspotential und den Gesprächen mit dem norwegischen Partner als möglicher Anwender, wurde die Weiterführung des Projektes zwischen den Thüringer Partnern und IMR beschlossen. Dazu werden z.Z. mögliche Förderinstrumente und passende Ausschreibungen im neuen EU-Förderprogramm geprüft

A Simple Extension of Contraction Theory to Study Incremental Stability Properties

Contraction theory is a recent tool enabling to study the stability of nonlinear systems trajectories with respect to one another, and therefore belongs to the class of incremental stability methods. In this paper, we extend the original definition of contraction theory to incorporate in an explicit manner the control input of the considered system. Such an extension, called universal contraction, is quite analogous in spirit to the well-known Input-to-State Stability (ISS). It serves as a simple formulation of incremental ISS, external stability, and detectability in a differential setting. The hierarchical combination result of contraction theory is restated in this framework, and a differential small-gain theorem is derived from results already available in Lyapunov theory