Undergraduate research

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

NIST Mobile Microrobotics Challenge 2012

Active: 
no

We are looking for a good student(s) who will join our research team in participation in the NIST Mobile Microrobotics Challenge 2012 which takes place during 2012 IEEE International Conference on Robotics and Automation in St. Paul, Minnesota, USA, May 14-18, 2012.

All robots entered in the competition must be no bigger than 600 micrometers in their largest dimension and must be able to operate without the direct connection of wires (i.e., untethered operation.) The competition will consist of two events structured to test each microrobot’s speed, agility, and ability to manipulate small objects. Mobility Challenge: Microrobots are required to navigate a planar maze in the shape of a figure eight. Microassembly Challenge: Microrobots must assemble multiple microscale components inside a narrow channel. This task simulates anticipated applications of microassembly, including manipulation within a human blood vessel and the assembly of components in nanomanufacturing. Multiple cooperating microrobots will be allowed.

Our team has been conducting research in the area of planar micromanipulation using dielectrophoresis. It consists in shaping the (gradient of) electric field by applying voltages to properly designed microelectrodes. We feel that our recent desing of a microelectrode array and some control strategies fit perfectly into the scope of this competition. 

The interested student should enjoy competitions, should have some interest in physics and experimental work in notraditional physics and microsystems related domains. The competition takes place in a few months, therefore it is vital to start as soon as possible. The scope of such collaboration can be negotiated. Every little help with the project will be appreciated. Even minor participation in the preparation for this competition will make it easier to participate fully for the next year competion, so do not be afraid to contact us even you feel unsure about the depth and volume of the work. We will certainly tailor our collaboration to your convenience.

In case of succesful research and development, we will do our best to bring the whole team to the place of the final competition - St. Paul, Minnesota, USA, in May 2012.

Contact person: 
Zdeněk Hurák
Contact person: 
Jiří Zemánek

Path planning for a UAV tracking a ground object and using an inertially stabilized camera platform

Active: 
no

Our team has developed several prototypes of inertially stabilized platforms carrying optoelectrical payload such as day and/or night vision cameras, laser range finders and laser  markers. The platforms are intended to be mounted on mobile vehicles, in particular unmanned aerial vehicles (UAV). Together with implementation of HW and SW for these platforms, our group has developed and documented/published a control theoretic framework for this class of control systems. The platforms have been extensively tested indoor but also outdoor. Hence, a certain maturity can be claimed in the mere task of inertial stabilization and visual tracking.

The challenge that we are facing now is to extend the current scheme with the functionality of path planning. The current assignment coming from a defense industry partner is that in order to track the ground object, the only actuators are the motors driving the gimbals. No commands to the autopilor of the UAV were allowed. The path of the UAV was set by some algorithm or human operator. The task for the student involved in this project will be to break this constraint and formulate the problem of planning a path for a UAV in order to guarantee best visual tracking (and inertial stabilization). One and several ground objects will be considered. Moving and fixed.

The ultimate goal is not to come up with a fully autonomous solution. Such a system will not be realistic in the next decade or so for legal reasons. But it may be perfectly realistic and actually quite useful if some optimization problem can be formulated and solved in real time which assist the human operator in planning the right path, which is currently done manually and heuristically. Using numerical real-time optimization, it will be possible to include whatever restrictions on distances to the observed objects, UAV turning radii, but even the UAV wheels constraining the field of view. This way the work has a good chance to be included in a real system.

The interested student should have some inclination towards numerical optimization since the work will revolve around it. But no deep research knowledge of the subject is needed. Being an aerospace enthusiast might make the work more enjoyable too although only basic concepts from aerospace will be needed such as flight angle, roll, pitch and yaw rates and so on.

Contact person: 
Zdeněk Hurák
Contact person: 
Martin Řezáč

Interaktivní svíticí míčky pro žonglování

Active: 
no

Úkolem práce je navrhnout a vyrobit funkční vzorek interaktivní svíticích míčků pro žonglování. Konstrukce míčků by byla postavena na mechanické části komerčního produktu svíticího míčku, která by byla doplněna o nově navrženou a realizovanou elektronikou. Míček by na základě způsobu žonglování vytvářel různé vizuální efekty, např. postupné a skokové změny barev, modulaci intenzity, záblesky, atd. Data o žonglovacím stylu by míček získával z inerciálních senzorů – magnetometry, akcelerometry, gyroskopy – a vyhodnocoval by jednak pomocí odhalování opakujících se vzorů a dále také pomocí detekce řídicích gest.

Obsahem práce je navrhnout a realizovat elektroniku pro zabudování do žonglovacího míčku. Elektronika bude obsahovat mikroprocesor, buzení LED, inerciální senzory a volitelně také modul pro bezdrátovou komunikaci. Dále bude práce orientována na návrh a testování algoritmů pro zpracování dat ze senzorů a jejich převedení v řízení LED. Závěrem by mělo být testování a vytvoření atraktivní video dokumentace.

Contact person: 
Jiří Zemánek

Experimentální platforma pro distribuovanou planární magnetickou manipulaci

Active: 
no

Úkolem této práce je pro účely výzkumu paralelní bezkontaktní manipulace postavit experimentální platformu pro manipulaci pomocí magnetického pole. Distribuovaná manipulace je stále se rozvíjející obor zasahující praktické aplikace, které využívají masivní pole aktuátorů pro pohyb s objekty příkladem je třeba čip s mechanickými MEMS rezonátory pro manipulaci s mikroskopickými objekty či pole všesměrových koleček pro dopravu balíků.

Přistup k řízení těchto systémů, které jsou charakteristické jednak vysokým řádem a také výraznou strukturou, se stále vyvíjí. Kromě simulací je ale užitečné mít k dispozici i testovací fyzické systémy. Jedním takovým může být například soustava elektromagnetů, které budou buzeny proměnným proudem, aby tak tvarovaly magnetické pole v prostoru nad sebou a v důsledku tak pohybovaly s jedním nebo i několika objekty najednou.

Záměrem této práce je především sestavit výše zmíněnou experimentální platformu, jejíž některé části jsou již navrženy. Náplní práce by bylo tedy hlavně programování modulů (každý pro řízení a buzení čtyř elektromagnetů) platformy, sestavení a oživení platformy, návrh řídicího SW, návrh měření polohy objektů a méně prakticky orientovaná část práce by spočívala v návrhu algoritmů pro řízení a simulacích.

Contact person: 
Zdeněk Hurák

Čtyřsektorové elektrodové pole pro dielektroforetickou mikromanipulaci

Active: 
no

Cílem této práce je v rámci výzkumu paralelní bezkontaktní manipulace s mikroskopickými objekty ověřit koncept tzv. čtyřsektorového elektrodového pole pro dielektroforézu.  Dielektroforéza je fyzikální jev, kdy se vlivem elektrického pole pohybují i elektricky neutrální objekty a jako taková je populárním nástrojem k transportu, separaci a identifikaci různého materiálu v biologii, chemii ale také lékařství.

Při dieletroforéze je klíčovým prvkem elektrické pole, které je ze značné míry určeno jednak uspořádáním elektrod a také jejich buzením. Z hlediska technologických nároků výroby elektrod stojí na jedné straně složitá pole vyžadující pokročilé technologie ale zároveň poskytující široké možnosti pro generování elektrického pole a na druhé straně jsou pole, které se dají vyrobit s nižšími nároky na vybavení, ale mají menší možnosti při dielektroforéze. Námi navržené uspořádání elektrod nazvané jako čtyřsektorové si neklade vysoké nároky pro výrobu a zároveň by se mohlo uplatnit v oblasti tzv. laboratoří na čipu (lab-on-chip) jako obdoba čtyřcestného směšovacího ventilu.

Jádrem práce je ověřit tento koncept na základě simulací, ale také pomocí experimentů. Simulace zahrnují výpočet elektrického pole, modelování pohybu objektů při dielektroforéze atd. Experimentální část bude zahrnovat dokončení firmware pro mnohakanálový signálový generátor, vytvoření řídícího SW pro počítač, sestavení experimentální aparatury a případně návrh fluidické části (přiváděcí kanálky) experimentální platformy.

Ve skupině aa4cc jsme dosáhli v této oblasti velmi zajímavé a experimentálně ověřené výsledky, a tak je touto cestou hledán další člen týmu, který se bude podílet na dokončení již rozpracované práce s velkým potenciálem zaujmout mezinárodní vědeckou i komerční komunitu.

Contact person: 
Jiří Zemánek

Distribuovaná mikromanipulace v jedné dimenzi

Active: 
no

V rámci výzkumu řízení bezkontaktní manipulace s mikroskopickými objekty bude úkolem této práce navrhnout řízení polohy objektu v jedné dimenzi pomocí dielektroforézy. Dielektroforéza je fyzikální jev, kdy se vlivem elektrického pole pohybují i elektricky neutrální objekty a jako taková je populárním nástrojem k transportu, separaci a identifikaci různého materiálu v biologii, chemii ale také lékařství.

Přestože se dieletroforéza využívá již řadu let, stále poskytuje relativně velký prostor pro aplikaci metod známých z teorie dynamických systému. Například zpětná vazba se zde využívá jen zřídka a většina aplikací se provozuje pouze s přímovazebním řízením, takže například zpětnovazební stabilizace polohy objektu je stále otevřené téma.

Cílem této práce je navrhnout a ověřit způsob řízení polohy objektu v jedné dimenzi pomocí dielektroforézy. K tomu účelu bude třeba jednak navrhnout a postarat se o výrobu experimentální platformy, která se bude skládat z pole elektrod pro generování elektrického pole a z mikrofluidického kanálku, který bude sloužit jednak k udržení objektu v jednom směru a také jako zdroj poruchové veličiny – proudění kapaliny kolem objektu. Tento typ návrhové práce je již na pracovišti zadavatele zvládnut, a tak student nebude prošlapávat kompletně neznámou oblast. Nicméně touha učit se nové věci na hranici elektroinženýrství a fyziky je žádoucí.Teoretická část práce se bude dotýkat návrhu způsobu řízení a dále také jeho simulaci.

Contact person: 
Jiří Zemánek

Maticové pole pro planární dielektroforetickou mikromanipulaci

Active: 
no

V rámci výzkumu řízení bezkontaktní manipulace s mikroskopickými objekty bude úkolem této práce ověřit koncept fázového buzení maticového elektrodového pole pro dieletroforézu. Dielektroforéza je fyzikální jev, kdy se vlivem elektrického pole pohybují i elektricky neutrální objekty a jako taková je populárním nástrojem k transportu, separaci a identifikaci různého materiálu v biologii, chemii ale také lékařství.
 
Při dieletroforéze je klíčovým prvkem elektrické pole, které je ze značné míry určeno jednak uspořádáním elektrod a také jejich buzením. Většinou se při řízení dieletroforézy využívá proměnné amplitudy harmonického signálu, případně je možné měnit frekvenční obsah signálu složeného z několika harmonických. Dosud ale nejsou zprávy o tom, že by se využívalo řízení pomocí proměnné fáze signálu. Naše předběžné simulace ukazují, že by mohlo jít o zajímavý způsob se slibným dopadem. Fázové buzení je zvláště zajímavé ve spojení s tzv. maticovým elektrodovým polem, kde jsou jednotlivé elektrody rozmístěny jako na šachovnici.

Jádrem této práce je tedy ověřit koncept využití proměnné fáze pro řízení dieletroforézy. Zatímco teoretická část práce by byla zaměřená především na simulace a návrh řídicích algoritmů, praktická by zahrnovala návrh firmware pro mnohakanálový generátor signálu vyvinutý ve skupině aa4cc, úpravu experimentální aparatury a především provedení samotných experimentů. Poměr mezi teoretickou a praktickou částí je možné upravit podle preferencí řešitele.

Výsledek práce může být potenciálně aplikovatelný například v oblasti tzv. samoskládání součástek, které je nadějnou metodou skládání mikroskopických zařízení.

Contact person: 
Jiří Zemánek
Syndicate content