Graduate research

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.

Evaluation of methods for measurement of a position on a planar surface

Active: 
no

The goal of this student project is to investigate and evaluate several methods for measurement of a position of a single or multiple objects in a small planar arena (say, up to 1m2). The task is motivated by the currently ongoing research in planar feedback manipulation such as positioning an iron ball on top of a rectangular array of electromagnets.   

The particular list of methods that should be studied, evaluated and compared is:

  • processing the images taken by a camera observing the global scene (from above)
  • resistive foil
  • LED matrix
  • set of IR sensors
  • capacitive sensors
  • magnetic sensors

The task needs a creative student with some modest hobby-level skills in electronics. These could be developed while working on the project, of course. The willingness to learn these hardware oriented skills is crucial.

As a continuation of this task, some development of algorithms for the chosen hardware platform is expected.

Contact person: 
Jiří Zemánek

Using state estimator methodologies for data processing - summer internship at LMS International, Leuven, Belgium

Active: 
no

One of our industrial partners - LMS International, a hi-tech company located in Leuven, Belgium - is offering summer internships to top students from the fields of control and automation. The exact period is negotiable but the position should last at least three months. LMS will offer a small apartment in their own dormitory (just next to their facilities) not far from the center of the historial city of Leuven. On top of that, LMS will pay a monthly living allowance of 250 Euro. LMS hosts a lot of foreign students and they are housed in the same building, therefore, a lot of new contacts with people from all around the world will be certainly made. The work started during the proposed started internship can be turned into a graduate project assignment on a supervision of which researchers both from LMS and from AA4CC will collaborate.

Technical problem description: The flexibility of a car body has an influence on vehicle dynamics. The importance of the flexibility of the body during handling maneuvers has already been shown. Full vehicle multibody models are widely used to improve handling and ride comfort performances of passenger cars. However, when focusing on body, it is difficult to validate the simulation results as the forces at the body/suspension interface cannot be measured.

LMS has a unique test-based technology to identify the individual forces acting in the suspension-to-body connection points and to visualize the body-deformation during handling maneuvers. The body force identification is based on strain data. The frequency range of interest is between 0 and 5 Hz. Strain-gauges are capable of accurately measuring the quasi-static body-deformation while the signals are not saturated by rigid-body DC behavior (as would be the case when DC-accelerometers are used). To identify all suspension-to-body forces a large number of strain-gauges is required to achieve enough over-determination for the inverse method for force-estimation. The strain data are measured with a dynamic measurement system (Scadas Mobile 200 channel system). The time-domain body-forces are identified using an inverse methodology. The method requires transfer functions from force-input in the suspension connections to the strain-responses on the body. These transfer functions are measured in trimmed-body condition and represent the calibration of the forces acting on the body relative to the measured strain. Once these transfer functions are measured. The car is brought in its original conditions and road tests are performed, where dedicated maneuvers either with a test pilot or test robot are performed. With the measured operational strain and the strain-over-force transfer functions the time-domain forces can be estimated using matrix inversion.

The procedure that will be investigated will first compute an initial guess of the suspension forces based on the matrix inversion method that has been used in the past. To improve the accuracy, the obtained force time series are applied to a mathematical model of the car, which calculates accelerations on the body of the car. During the operational measurements with the strain gauges, also accelerations on the same locations as in the mathematical model are recorded. Accelerometer instrumentation is a much easier process then strain gauges. Based on the differences between the measured accelerations and the ones computed by the model, corrections on the initial suspension forces are calculated. The latter will be performed based on methodologies from the control community, called state estimation methodologies. The most well-known state estimator is the Kalman filter. More advanced methods are extended Kalman filter, unscented filter, grid based methods, particle filter, moving horizon estimator, …

In this thesis, a study will be performed on a CAE model to determine good sensor locations (observability of the body forces). The whole procedure will be tested on a CAE model. Also experimental data will be put available

Contact person: 
Zdeněk Hurák

State estimation on a gear box test set-up - summer internship at LMS International, Leuven, Belgium

Active: 
no

One of our industrial partners - LMS International, a hi-tech company located in Leuven, Belgium - is offering summer internships to top students from the fields of control and automation. The exact period is negotiable but the position should last at least three months. LMS will offer a small apartment in their own dormitory (just next to their facilities) not far from the center of the historial city of Leuven. On top of that, LMS will pay a monthly living allowance of 250 Euro. LMS hosts a lot of foreign students and they are housed in the same building, therefore, a lot of new contacts with people from all around the world will be certainly made. The work started during the proposed started internship can be turned into a graduate project assignment on a supervision of which researchers both from LMS and from AA4CC will collaborate.

Technical problem description:LMS has a set-up to test gear boxes. Several quantities can be measured such as, input speeds and torques but also electrical quantities of the motors that propel or brake the shafts of the gear box. The idea is to combine this information to obtain a good estimate about the input and output power of the gear box. Knowledge of gearboxes, electrical motors and Kalman filtering is a plus. Ability to perform theoretical studies as well as practical experiments. The estimator should be implemented on a rapid control development platform. This will be a Xenomai based platform.

 

 

Contact person: 
Zdeněk Hurák

Distribuovaná ultrazvuková lokalizace mobilních senzorických uzlů

Active: 
no

Cílem projektu je navržení systému pro distribuovanou lokalizaci mobilních senzorických uzlů s využitím ultrazvukových přijímačů a vysílačů. Jádro práce bude spočívat ve vývoji algoritmů a jejich implementaci a experimentálním ověřování.

Motivací pro vývoj takového systému je výzkum v mobilní robotice včetně bezpilotních létajících prostředků, a to zejména těch velmi malých a velmi levných. V současnosti je na pracovišti zadavatele vyvíjena miniaturní quadkoptéra pro indoor použití, projekt je nazván NanoQuad, rozpětí ramen je cca 10cm. Na konci každého ramene bude umístěn ultrazvukový přijímač.

Zadavatel projektu poskytne (jím) zvolené ultrazvukové přijímač(e) i vysílač(e) i rádiovou komunikační jednotku(-y). Bude i vysvětlena základní algoritmická idea pro určování vzdálenosti i směru spočívající v měření zpoždění ultrazvukového signálu oproti rádiovému, a vzájemných zpoždění na jednotlivých přijímačích nesených na různých částech uzlu (například ramenech quadkoptéry). Očekávaným výstupem budou zdokumentované algoritmy, jejich implementace, a záznamy z experimentálního ověřování.

Na práci započatou v tomto týmovém projektu bude možno navázat nejen až v rámci individuálního a diplomového projektu, ale už i nadcházejícím létě formou placené letní stáže na pracovišti zadavatele http://aa4cc.dce.fel.cvut.cz/.

Contact person: 
Zdeněk Hurák

Modeling and distributed control of an array magnetic manipulator

Active: 
no

The task is to build a mathematical (simulation) model of a planar (electro)magnetic manipulator used to steer one or several iron balls in plane (the balls move by rolling, not by levitation). Such manipulator has already been built and it consists of a rectangular array of special modules, each consisting of a 2x2 electromagnets (coils with an iron core) and including the necessary amplifiers and microcontrollers (ARM Cortex M3) and communication circuits (RS485). Currently available are 4 modules, offering to build a 2x2 array of modules, hence 4x4 array of coils. See the attached photo and video or come and see it in our lab.

The manipulator is intended to be used to test various distributed control/manipulation strategies. The experiment can be viewes as an extension  of the popular ball and plate laboratory model, here the plate can be "deformed" locally. Of course, no mechanical deformation is visible, it is just the potential from which the force field is derived that is shaped here.

Whereas another student project is oriented towards finalizing the design of the hardware and working on the firmware, the proposed project aims at a bit more theoretical (or rather computing oriented) part: modeling and model-based control design.

Modeling will be done using Comsol Multiphysics software tool for Finite Element Modeling (FEM) but lumped-system approximation will be searched for to allow for model-based control design. The outcomes of the simulation might also be relevant for possible design modifications and optimizations.

Control design will address several scenarios such as manipulation of a single ball from one position to another (and back) as fast as possible, with no overshoot; following precisely a precomputed trajectory such as the figure eight trajectory; driving two (or more) balls simultaneously so that they come together and then split apart.

Contact person: 
Zdeněk Hurák
Contact person: 
Jiří Zemánek
Syndicate content