AA4CC - Undergraduate research

Konvoje autonomních tramvají (virtuální spřáhlo)

zdenek.hurak — Thu, 18 May 2023 10:27:08 +0000

Position type:

Graduate research

Undergraduate research

Active:

yes

Pro pohodlí cestujících využívajících městskou hromadnou dopravu by bylo ideální nasazovat menší vozidla, avšak ta vysílat v častějších intervalech a navíc s možností zareagovat v reálném čase a vyslat do provozu další vozidla. Bohužel takovýto model je v současnosti neekonomický, a to i s ohledem na vysokou cenu lidského personálu. Aktuální trend je tak opačný – tramvaje se vyrábí čím dál větší (srovnejte kapacitu stařičké ale stále používané T3 a v Praze nejnovější 15T), protože pak stačí méně řidičů na přepravu většího počtu cestujících.

Autonomní tramvaje by mohly v tomto přinést žádoucí změnu, nicméně jakkoliv je plně autonomní tramvaj atraktivním a smysluplným cílem, nebude takový cíl nejspíše dosažen v blízké budoucnosti. Docela realistická (nicméně stále docela ambiciózní) je alespoň nějaká forma částečná autonomie.

V tomto projektu bychom rádi prozkoumali jednu takovou formu částěčné autonomie – využití krátkých konvojů spíše menších vozidel (tramvají), z nichže pouze první vůz bude řízen lidským řidičem, a jeden nebo dva další vozy pojedou v těsném závěsu za tímto lídrem, řízeny už pouze vlastním palubním počítačem.

Vzdálenost mezi vozy bude velmi malá, a tak tento jízdní režim bude možné interpretovat coby virtuální spřáhlo. Na rozdíl od toho reálného (mechanického), toto virtuální spřáhlo bude mezi vozidly zřizováno a rušeno ryze softwarově. Kromě řidičů se tak ušetří i lidská práce dnes nutná pro manipulaci se skutečným (mechanickým) spřáhlem.

Cílem nabízeného studentského projektu bude přispět k analýze proveditelnosti takového řešení.

Bude tak nutné například vyhodnotit vhodnost různých dostupných snímačů vzdálenosti mezi vozidly, analyzovat požadavky na komunikaci mezi vozidly, sestavit požadavky na funkčnost virtuálního spřáhla v různých situacích (připojování, jízda, rozpojování, ...).

Pro velkou část těchto úloh bude nepochybně nutné využívat matematické (simulační) modely. Jejich sestavení bude součástí projektu (samozřejmě s využitím již existujících modelů používaných pro jiné účely).

Contact person:

Zdeněk Hurák

Skoda 15T Tram

Elektronický diferenciál u tramvají

zdenek.hurak — Thu, 18 May 2023 10:26:01 +0000

Position type:

Graduate research

Undergraduate research

Active:

yes

Naprostá většina dnes používaných kolejových vozidel včetně tramvají nemá ve své nápravě diferenciál – obě kola jsou pevně spojena s nápravou. U vlaků je zatáčení řešeno geniálně – kola mají kuželový profil (průměr kola se k vnějšímu okraji zmenšuje) a při průjezdu obloukem se v důsledku působení odstředivé síly změní efektivní poloměr obou kol. Toto řešení u tramvají použito není, tramvaje přece jen neprojíždění oblouky takovou rychlostí. Výsledkem pak ale je, že v oblouku jsou kola i koleje opotřebovávány (doslova obrušovány).

U tramvají, u kterých je každé kolo hnáno vlastním motorem, by takovému mechanickému opotřebení šlo předejít implementací elektronického diferenciálu. Tedy každé kolo by při průjezdu obloukem bylo řízeno rozdílně.

Cílem tohoto studentského projektu bude prozkoumat možnosti i omezení takového řešení.

Analýza bude probíhat s využitím matematického modelu a numerických simulací a optimalizací.

Při řešení budeme spolupracovat s doc. Tomášem Hanišem a jeho týmem.

Contact person:

Zdeněk Hurák

Optimální řízení prokluzu u tramvají

zdenek.hurak — Thu, 18 May 2023 10:24:34 +0000

Position type:

Graduate research

Undergraduate research

Active:

yes

Základní principem hnaného pohybu vozidla na kolech je prokluz. Tento prokluz však lze v průběžně (v reálném čase) řídit a optimalizovat různá kritéria.

Volněji řečeno: jestli chcete realizovat drag racing, ale s tramvajemi, tento projekt je pro vás.

Contact person:

Zdeněk Hurák

Optimální řízení toku energie mezi tramvajemi a mezi tramvajemi a infrastrukturou

zdenek.hurak — Thu, 18 May 2023 10:23:51 +0000

Position type:

Graduate research

Undergraduate research

Active:

yes

Stávající přístup k energetické optimalizaci elektrických kolejových vozidel včetně tramvají se omezuje na samotné vozidlo – kdy a jak moc zrychlovat, jak dlouho držet cestovní rychlost, kdy přejít do výběhu a kdy začít brzdit.

Vzhledem k napájení ze společné sítě se však nabízí při této optimalizaci vzít v úvahu i možnost toku energie mezi tramvajemi – jedna tramvaj se chystá brzdit a místo ukládání energie do baterie může tuto energii nabídnout sousední tramvaji, ktera se právě chystá rozjíždět a energii tedy poptává. Přitom je ale potřeba brát ohled i na samotné baterie a provozovat je v pro ně optimálním režimu.

Pro koordinaci takového toku energie mezi tramvajemi bude užitečné a dost možná dokonce nezbytné používat komunikaci mezi vozidly (angl. vehicle-to-vehicle, V2V). Takovými komunikačními jednotkami dnes již některé tramvaje bývají osazovány (náš průmyslový partner takové vyvíjí a vyrábí).

Podobně jako tok energie mezi tramvajemi je ale možné optimalizovat i tok energie z tramvajové měnírny do tramvají. Celé město je rozděleno do několika zón, každá je napájena z vlastní měnírny. Tramvaje v dané zóně se mohou synchronizovat/koordinovat v jejich požadavcích na energii z měnírny. Kupříkladu pokud se několik tramvají chystá rozjet, mohou se "domluvit", že některá z nich svůj rozjezd i jen o pár sekund odloží, aby byla síť vystavena menší špičkové zátěži.

Prozkoumání možností pro takovéto koordinované a optimalizované toky energií v tramvajové síti bude náplní tohoto projektu.

Hlavním nástrojem bude matematické modelování, numerická simulace a optimalizace. V modelech, simulacích a optimalizacích bude muset být vzata v úvahu komunikace mezi vozidly (V2V) a případně i mezi vozidly a infrastrukturou (V2I). Dost možná bude vhodné či dokonce nutné uvažovat metody pro distribuovanou optimalizaci.

Contact person:

Zdeněk Hurák

Řízení experimentálního plotteru –⁠ využití Iterative Learning Control (ILC) pro opakující se regulační úlohy

zdenek.hurak — Thu, 21 Apr 2022 13:38:25 +0000

Position type:

Graduate research

Undergraduate research

Active:

yes

Cílem práce bude použití základních i pokročilejších metod automatického řízení pro experimentální plotr. Ten jsme si na katedře navrhli i postavili sami, abychom na něm demonstrovali užitečnosti takových metod, které dokážou vzít v úvahu i opakující se charakter úloh. Takové úlohy lze najít na mnoha místech v průmyslu, zejména ve výrobní automatizaci –⁠ robotické manipulátory typu pick&place neustále opakují ten stejný úkol. Byla by potom škoda nevyužít znalosti o tomto repetitivním charakteru úlohy. Jedna skupina metod, které toto dokážou, je v angličtině označovaná jako Iterative Learning Control (ILC). V nedávno obhájené diplomové práci Marka Bečky bylo předvedeno prvotní použití jen úplně nejjednodušší verze ILC, avšak příležitostí pro zlepšení (i vlastní osobní učení se) je mnoho.

Contact person:

Zdeněk Hurák

Plotter (vizualizace)

Řízení pro struktury z digitálních materiálů

jiri.zemanek — Thu, 21 Apr 2022 12:59:35 +0000

Position type:

PhD position

Graduate research

Undergraduate research

Active:

yes

Cílem je vývoj a testování metod pro řízení struktur z digitálních materiálů. Digitální materiál je složen z diskrétních stavebních prvků, které dovolují snadno vyrábět systémy na míru, rekonfigurovat je, recyklovat atd. Výsledné systémy z digitálního materiálu jsou charakteristické mřížkovou strukturou, která je silně dynamicky provázaná a přináší tedy výzvu z hlediska řízení. Pomocí aktivních prvků lze dát výsledný mechanismus do pohybu a jinak ovlivňovat jeho dynamické chování – například potlačit nechtěné oscilace.

Contact person:

Jiří Zemánek

ZuzO

Automatizace 3D tiskové farmy

jiri.zemanek — Thu, 21 Apr 2022 12:57:06 +0000

Position type:

Graduate research

Undergraduate research

Active:

yes

Cílem práce je navrhnout a zrealizovat manipulátor pro automatizaci provozu několika 3D tiskáren. Manipulátor by měl být schopen vyjmout hotový výtisk a uložit ho do skladovacího prostoru, aby mohla výroba probíhat nějakou dobu bez obsluhy. Možným rozšířením práce je i kontrola správného průběhu tisku případně automatizace kontroly kvality.

Contact person:

Jiří Zemánek

3D Farmer

Manipulace s komplexními objekty pomocí magnetického pole

jiri.zemanek — Thu, 21 Apr 2022 12:54:57 +0000

Position type:

Graduate research

Undergraduate research

Active:

yes

Cílem práce je rozšířit systém pro manipulaci pomocí magnetického pole, který využívá pole cívek k manipulaci s kovovými kuličkami. Rozšíření by mělo umožnit, aby systém mohl manipulovat se složitějšími geometrickými objekty a řídit nejen jejich polohu, ale také orientaci a tím by je mohl například automatický skládat do zadané sestavy.

Contact person:

Jiří Zemánek

Distributed manipulation for assembly

Řízení kapalin pomocí magnetohydrodynamiky

jiri.zemanek — Thu, 21 Apr 2022 12:50:38 +0000

Position type:

PhD position

Graduate research

Undergraduate research

Active:

yes

Cílem práce je navrhnout systém pro řízení proudění kapaliny pomocí magnetohydrodynamiky. Kapalina může být uvedena do pohybu díky interakci elektrického proudu v kapalině a externího magnetického pole. Přes změnu proudu a magnetického pole je možné ovlivňovat proudění kapaliny. Obsahem této práce by mělo být najít matematický model vhodný pro návrh řízení, dále navrhnout strategii řízení pro dosažení požadovaného proudění, dokončit experimentální systém a s ním verifikovat matematický model a navržené řídicí algoritmy.

Contact person:

Jiří Zemánek

First experiments with magnetohydrodynamics

Řízení mnoha propojených oscilátorů (řady kyvadel)

zdenek.hurak — Thu, 21 Apr 2022 12:18:07 +0000

Position type:

Graduate research

Undergraduate research

Active:

yes

V tomto studentském projektu budete mít možnost uplatnit základní i pokročilé metody pro řízení reálného experimentální zařízení, které jsme si sami vyvinuli a postavili na katedře. Jedná se o sérii 20 kyvadel té stejné hřídeli. Kyvadla jsou mezi sebou propojena torzními pružinami a jejich úhlové vychýlení je měřeno enkodéry. Ke dvěma krajním kyvadlům jsou připojeny motory. Ty lze využít k řízení, a nebo případně jeden může sloužit coby generátor rušení (angl. disturbance) a druhý coby regulátor ke kompenzaci vlivu rušení.

V literatuře se rovnice popisující tento systém označuje jako Frenkel-Kontorova model. Vznikne diskretizací jiné rovnice zvané sinus-Gordonova rovnice, což je v podstatě klasická vlnová rovnice s přidanou nelinaritou odpovídající průmětu tíhové síly. Oba tyto modely slouží k popisu mnoha jevů ve fyzice (tření na atomární úrovni, mechanické vlastnosti DNA, model krystalické mřížky prvků). A to je i pro nás motivací pro studium toho, co mají tyto systémy společného z pohledu automatického řízení.

Bezprostředně využitelné při práci s tímto experimentem budou kompetence z předmětů ARI, MSD, ORR, NES či OFD.

Krátké představení experimentu je i v medailonku doktoranda Loie Do: https://youtu.be/sEwV6u4Sbwo

Contact person:

Loi Do

Contact person:

Zdeněk Hurák

Array of 20 pendulums

Array of 5 pendulums

Mechanical Frenkel-Kontorova model: Synchronization

Mechanical Frenkel-Kontorova model: Non-collocated control of oscillations

Short video message from Loi Do about his studying Cybernetics and Robotics program