Graduate research

Experimental platform for distributed temperature control along a slender metal rod

Active: 
yes

The main objective of this project is to design, build and program an experimental platform for distributed control of a temperature profile of a slender metal rod. The one-meter long aluminium rod will be equipped with some twenty heaters (transistors) and temperature sensors (Dallas DS18B20). These will be used to close feedback control loops to track a prescribed temperature profile.

A straightforward (albeit not necessarily optimal) approach to the work is just to upgrade one already existing platform using new hardware (see the list of student projects below).

The electronics for the system is required in a modular form. Each I/O module (of several modules) will serve a few sensors and actuators. One version of the electronics is currently being developed and is nearly ready for production. The student can jump in and have his or her imprint in the last minute. Alternatively, he or she can adopt the design and take care of production.

All the I/O modules will be connected to a single Raspberry Pi 3 (RPi) computer through a digital interface (such as I2C). RPi computer will be connected to an operator's PC running MATLAB. The role of RPi will be to gather the sensor measurements, deliver them to PC and execute control commands received from PC. The communication between the RPi and PC will be over WiFi or Ethernet. Programming of RPi should be done in C and Java programming languages.

The project is offered as a topic for bachelor thesis and master thesis with additional extension to control.

Related student projects in the past:

1.) Chris Rapson. Spatially distributed control: heat conduction in a rod. MSc diploma thesis, CVUT in Prague, 2008. [Online]
2.) Václav Klemš. Laboratorní model pro výzkum prostorově distribuovaného řízení. Bakalářská práce, ČVUT v Praze, 2008. [Online]
3.) Petr Cincibus. Programové vybavení pro experimentální platformu pro distribuované řízení teploty. Bakalářská práce, ČVUT v Praze, 2012. [Online]

Contact person: 
Štefan Knotek

Building a laboratory syringe pump

Active: 
no

The goal of this short-term project is to build a simple syringe pump which would work both independently and under control from a PC. Inspiration can be found in numerous do-it-yourself (DIY) projects on the web, such as http://www.instructables.com/id/DIY-Syringe-Pump-Using-Stepper-Motor/, http://www.instructables.com/id/3D-Printed-Syringe-Pump-Rack/ or https://hackaday.io/project/1838-open-syringe-pump. The actual work can be as simple as selecting suitable components (stepper motor, motor driver, possibly some microcontroller, screws, nuts, ...), downloading a suitable 3D design, introducing minor design modifications (if any), doing the actual 3D printing (we own the popular Ultimaker II printer) and assembling the stuff.

It is expected that the project will take no more than one or two months, hence the project is suitable for a student who already did some do-it-youself projects (this is not an educational projects, we just need the stuff badly).

The work will be financially very nicely rewarded.

The need for such equipment comes from our research in the domain of microfluidics and electrokinetics, see the description at http://aa4cc.dce.fel.cvut.cz/content/distributed-feedback-micromanipulat.... The interested student might find this project a nice opportunity to step into that fascinating research domain combining engineering and science.

Contact person: 
Zdeněk Hurák
Contact person: 
Jiří Zemánek

Building a Rijke tube

Active: 
no

The task is to build a laboratory experimental platform known as Rijke tube, which is used for experiments in thermo-acoustics. One particular setup is described in a journal paper by Epperlein, J.P., B. Bamieh, and K.J. Astrom. “Thermoacoustics and the Rijke Tube: Experiments, Identification, and Modeling.” IEEE Control Systems 35, no. 2 (April 2015): 57–77. doi:10.1109/MCS.2014.2384971 (see also https://engineering.ucsb.edu/~bamieh/talks/1211_SpongFest.pdf for some workshop slides). The platform will be used for education and research experiments in modeling, analysis and control of spatially distributed systems.

 

Contact person: 
Zdeněk Hurák

Distributed Control of Multi-Agent Systems for Estimating and Controlling Large-Scale Distributed Parameter Environments

Active: 
yes

A position for one masters student is opened within the project 16-25493Y: Distributed Control of Multi-Agent Systems for Estimating and Controlling Large-Scale Distributed Parameter Environments. This position includes a salary up to 0.5 of the full-time.

The project deals with distributed actuation and sensing of realistic environments. Distributed multi-agent systems are an active field of research while their practical applications involve cooperatively solving tasks that are beyond the limited capabilities of any single-agent. Environments on the other hand are large-scale complicated systems, mostly described by distributed parameters. Taking the present-day concerns with environmental impacts of various industries and related human activities, developing versatile, robust, flexible systems that can monitor and control large-scale environments is of great interest.

One special instance is environments described by diffusion equations. Diffusion equation are ubiquitous, they model the conduction of heat, chemical reactions and diffusions, advection processes in the atmosphere, pollutant concentration, nuclear reactor statics and dynamics, to name just a few examples from sciences and technology. In our laboratory, we currently plan to tackle the heat diffusion systems. The work task planned for the offered position is the development of a distributed heating test-bed. Hardware is mostly available at the present, the test bed consisting of an aluminum rod and a set of heating elements. What requires to be done is an interface between the heating elements (transistors) together with their control circuitry and some data acquisition system that would allow experiments to be carried out with an aid of a computer. This being mostly a practical assignment, students applying for the position should have some prior experience in electronics and practical circuit design.

Contact person: 
Kristian Hengster...

Design of structured controllers for vehicular platoons

Active: 
no

In a vehicular platoon (a chain of vehicles with tight spacing), each car controls the distance to its neighbors. This distance is supposed to be quite short (meters in real applications). The vehicles can (or does not have to) share information among each other. In any case, the information should have only local nature, e. g. the nearest k neighbors. When the whole platoon is modeled as a single large-order dynamical system, the communication structure is reflected into the structure of the corresponding mathematical model of the system. Unfortunately, this structure is not preserved when standard off-the-shelf computational routines are called for a design of a controller for such systems. The goal of this thesis is therefore to test and evaluate several recent approaches for structured controller design for a vehicular platoon. These are mostly already implemented in software (open-source HIFOO function and commercial Hinstruct functions are notable examples).

The main constraint is that the controller should use only local information, that is the states or outputs of the neighboring vehicles. No global knowledge as in classical LQ control will be assumed. The algorithms will be tested in Matlab first, and then they can be applied to our slot-car testbed with several cars. The cars are equipped with Zigbee and Nordic communication interfaces.

Excellent students may be offered a part-time "assistant researcher" position either during the summer only or during the whole academic year.

Contact person: 
Ivo Herman

Event-triggered control for a platoon of vehicles

Active: 
no

In a platoon (or a chain) of a large number of highway vehicles controlled in a distributed way, each car typically shares information about its motion (such as measurements of its acceleration) only with its nearest neighbors; this sharing is done wirelessly. With most communication protocols there is one particular constraint on the wireless communication - when some other vehicles communicate, a given car cannot access the wireless media and therefore the channel utilization for one vehicle can be very low (say, 1/50 for a platoon with 50 cars). Hence it is desirable to reduce the need of each onboard controller to access the communication channel. This could be done by setting the frequency of periodic sampling less frequently, or by sampling (and sending) only when something significant happened. The latter approach is called event-triggered control. Within the platooning context, the access to the communication medium is required only when the acceleration has changed significantly or  when a car needs to brake or accelerate too much. Only then does the vehicle's controller inform its neighbors.

We have an experimental platoon of slotcar vehicles equipped with Zigbee and Nordic communication devices, on which the event-triggered controller can be tested in real-world. The work can be both theoretical or practical, depending on the student. The work can be both in Czech or English. If you are interested, please come to the office KN:E8 to discuss the possibilities of the thesis.

Excellent students may be offered a part-time "assistant researcher" position either during the summer only or during the whole academic year.

Contact person: 
Ivo Herman

CCD čip jako snímač polohy mikroobjektů

Active: 
no

Cílem projektu je experimentálně ověřit možnost využití standardního snímacího čipu CCD pro účely měření polohy mikroskopických objektů bez použití další optiky. Tento záměr je motivovaný výzkumem v oblasti bezkontaktní mikromanipulace pomocí elektrického pole tzv. dielektroforézy, kdy je možné pomocí mikroelektrod vytvářet takové elektrické pole, které rozpohybuje objekty o velikosti jednotek či desítek mikrometru ať už přírodního či umělého původu. Jde o slibný nástroj, který nachází uplatnění například v medicíně či analytické chemii při detekci, separaci, charakterizaci atp. Hlavní částí platformy pro manipulaci pomocí dielektroforézy je elektrodové pole, nad kterým dochází k vlastnímu pohybu objektů. Toto pole by se tedy vybavilo ze spodu ještě snímacím čipem, aby bylo možné sledovat pohybující se objekty.

Dílčími úkoly projektu by bylo zvolit vhodný čip pro tento účel, navrhnou vhodné mechanické řešení jeho umístění a najít také takové osvětlení, který by na čipu vytvořilo kvalitní obraz scény. Dále by byla práce orientována experimentálně především na srovnávání dat z CCD čipu s obrazem pořízeným pomocí běžné kamery. Po úspěšné realizaci snímací soustavy by projekt pokračoval návrhem metod pro zpracování dat z CCD senzoru, hlavně tedy získání polohy jednotlivých objektů.
 

Platforma pro magnetickou manipulaci

Active: 
no

Cílem projektu je finalizace platformy pro planární manipulaci s objekty pomocí magnetického pole. Na našem pracovišti je postavena funkční verze takového manipulátoru, která se skládá ze čtyř stejných a samostatných modulů. Každý modul obsahuje budicí elektroniku, procesor ARM Cortex M3, komunikační rozhraní RS-485 a čtyři cívky. Z těchto modulů lze sestavit platformu s celkem 16 cívkami a nad ní následně pohybovat s jednou nebo několika kovovými kuličkami. Manipulace se děje valením a smýkáním kuličky, při pohybu tedy nedochází k levitaci. Poloha se v současné době měří pomocí dotykové rezistivní fólie. 

Cíle projektu budou po domluvě s řešitelem orientovány na některé z následujících oblastí:

  • Realizace modulu pro zpracování signálu z dotykové rezistivní fólie. Tento modul bude naměřená data odesílat přes rozhraní RS-485 či USB
  • Programování a testování zavaděče (bootloader) pro řídicí procesory, který umožní naprogramovat moduly po komunikační sběrnici RS-485.
  • Rozšíření současného firmware: implementace nových příkazů, měření a regulace proudu cívkou, realizace komunikace s deskou rozšiřující vstupy a výstupy.
  • Experimenty s měřením magnetického pole a jeho využitím pro určování polohy objektu.
  • Vytvoření systému pro zpracování obrazu z kamery k měření polohy a natočení kuličky.
  • Odladění komunikační knihovny pro Matlab/Simulink doplněný o Realtime Toolbox či Realtime Windows Target.
     

Řízení formace kvadrokoptér AR.Drone 2.0

Active: 
no

Cílem projektu je realizovat řízení pěti kvadrokoptér AR.Drone 2.0 pro udržování formace. Řízení by probíhalo tak, že jednu z kvadrokoptér by pilotoval člověk a další 4 by samostatně upravovaly svou polohu tak, aby s první udržovali nastavenou formaci. Pro účely vzájemné lokalizace by se pravděpodobně využil obraz z kamer na palubě kvadrokoptér. Konkrétně lze pracovat buď se zjištěním polohy ostatních kvadrokoptér, nebo s lokalizací vůči okolnímu prostředí. Alternativně by bylo možné prozkoumat možnosti rozšíření palubní instrumentace o dodatečné senzory, kupříkladu ultrazvukové snímače. Jedna taková aktivita využívající Arduino je popsána na https://gist.github.com/4152815#droneduino.

AR.Drone 2.0 je komerční kvadrokoptéra se standardním uspořádáním čtyř samostatně řiditelných vrtulí. Na palubě nese řídicí počítač, HD kameru pro čelní pohled, podhledovou kameru pro odhad rychlosti vůči zemi, dále inerciální jednotku s gyroskopy a magnetometry, tlakový senzor pro měření výšky atd. AR Drone 2.0 se standardně pilotuje pomocí tabletu či chytrého telefonu přes WiFi, ale umožňuje i vývoj vlastních pilotovacích programů. Více informací najdete na stránkách výrobce: http://ardrone2.parrot.com/

Řídicí program by mohl být připraven buď přímo pro palubní počítač, ale pravděpodobněji budou kvadrokoptéry řízení z pozemního stanoviště. Pro pilotování a zadávání příkazů by byl využit tablet iPad (či alternativně tablet s Androidem), který by požadavky zasílal řídicímu počítači. K AR.Drone je dostupné SDK přímo od výrobce, které zprostředkovává komunikaci s kvadrokoptérou a dovoluje nastavovat parametry a zasílat příkazy pro autopilota, poskytuje základní zpracování obrazu pro určení polohy známých značek ve scéně atp. Kromě toho vznikají alternativní zjednodušené SDK pro zajištění komunikace s AR.Drone. Řídicí program by tedy stavěl buď na originální, nebo jiné dostupné knihovně. Projekt je tedy zaměn pouze na návrh nejvyšší řídicí vrstvy, nikoli na řízení letu.

V rámci letní stáže ve skupině AA4CC tuto problematiku již rozpracoval Jaroslav Halgašík. Jeho blog zaznamenávající jeho práci je http://yerrix.blogspot.cz/search/label/AR.Drone.

Aktuálně se touto prací bude zabývat Michal Kaprál v rámci bakalářské práce, o které bude průběžně informovat na http://ardronex.blogspot.cz/. Je ale žádoucí tým studentů pracujících v této oblasti rozšířit, ať už formou individuálního nebo týmového projektu.

Contact person: 
Zdeněk Hurák
Contact person: 
Jiří Zemánek

iPad jako operátorská konzole pro planární manipulátor

Active: 
no

Cílem projektu je vytvořit uživatelské rozhraní pro řízení planárního manipulátoru pomocí tabletu iPad. Práce by se týkala dvou různých manipulátorů, které se principálně liší ale v některých aspektech jsou podobné. Jednak jde o manipulátoru, který je založený na tzv. dielektroforéze, a druhý, který využívá tzv. magnetoforézu. V prvním případě se pomocí sady mikroelektrod vytváří a tvaruje elektrické pole, které dovoluje pohybovat s miniaturními objekty o velikosti jednotek až desítek mikrometrů. Ve druhém případě se využívá matice elektromagnetů pro vytváření magnetického pole, které pohybuje s jednou nebo několika kovovými kuličkami s rozměrem o několik řádů větším (jednotky milimetr).

Uživatelské rozhraní by jednak poskytovalo operátorovi informaci o aktuálním stavu platformy, především tedy zobrazení aktuální polohy jednotlivých objektů ať už pomocí promítnutí obrazu z kamery snímající akční prostor, nebo pomocí grafické vizualizace. Dále by rozhraní dovolovalo zadávat cílové polohy a dráhy pro jednotlivé objekty pomocí dotyků. Součástí práce by byla i realizace propojení mezi uživatelským rozhraním na tabletu a samotným manipulátorem. iPad by buď komunikoval s PC, na kterém by běžel program ovládající platformu, nebo by se iPad připojil přímo k manipulátoru pomocí bezdrátové sítě, či přes systémový konektor.

Výhodou pro řešení projektu je předchozí znalost jazyka Object C a vlastnictví počítače Mac s procesorem Intel. Ani jedno však není nutnou podmínkou. iPad pro ladění bude k dispozici.

Syndicate content