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Fil: Sánchez, Ignacio Julián Rodolfo. Universidad Nacional del Litoral. Facultad de Ingeniería y Ciencias Hídricas; Argentina. En esta tesis se investigan formulaciones de Control Predictivo Basado en Modelos (MPC, del inglés Model Predictive Control) con aplicación al seguimiento de referencias genéricas. La estrategia MPC, que también recibe el nombre de control de horizonte deslizante (RHC, del inglés Receding Horizon Control), consiste en realizar, en sucesivos instantes, la minimización de un costo asociado a una predicción de la evolución del sistema a lo largo de una ventana temporal u horizonte finito. Por seguimiento de referencias genéricas nos referimos a que el objetivo de control no es solo estabilizar el sistema controlado en un estado estacionario particular asociado a la referencia, sino también a lo largo de trayectorias, curvas paramétricas y regiones. Las principales contribuciones de esta tesis están vinculadas a este tipo de situaciones, por lo que estudiaremos formulaciones que incluyen la planificación en el problema de optimización. Entre los resultados novedosos que se expondrán se incluye la caracterización de dominios de atracción para controladores para sistemas lineales y referencias periódicas, la extensión de dichos controladores para sistemas periódicos con secuencias de conjuntos invariantes como restricción terminal y su cómputo, el diseño de controladores para el seguimiento de curvas utilizando “variables artificiales”' y el diseño de controles estabilizantes con respecto a regiones objetivo para sistemas lineales con control impulsional utilizando MPC. In this thesis, Model Predictive Control (MPC) based formulations with application on generic reference tracking are investigated. We will focus on the design of controllers based on the MPC strategy, which is also known as Receding Horizon Control (RHC), that consists in, at successive time instants, solving an optimization problem associated to a prediction of the system state evolution along a finite time window or horizon. By generic reference tracking we refer to the control objective not being the stabilization of the controlled system on a particular steady state associated to the reference, instead, we will treat the tracking of time-varying references which may consist of trajectories, parametric curves and regions in state-space. The main contributions of this thesis are related to such situations, and the proposed controllers integrate the planning and tracking stages in a single optimization problem. The novel results that will be presented comprise the characterization of the domains of attraction of tracking controllers for periodic linear systems with periodic references, the extension of existing controllers for periodic systems by using terminal periodic invariant sets sequences and their computation, the design of path-following controllers using “artificial variables”' and the design of stabilizing controls for linear impulsive systems with respect to target zones, within the MPC framework. Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas

En este trabajo se propone una solución de control colaborativo donde una formación de robots es capaz de transportar una carga de dimensiones conocidas. La formación es vista como una estructura rígida con un robot virtual en el centro y los demás a su alrededor. Primero se genera una trayectoria con continuidad tangencial y de curvatura. Después, el control no lineal de seguimiento de trayectoria se aplica al robot virtual y se obtienen sus velocidades lineal y angular, a partir de las cuales y con las ecuaciones del movimiento del sólido rígido se calculas las velocidades del resto de robots. Finalmente se hace el control local de seguimiento de velocidades de cada uno de ellos., In this work, a collaborative control solution is proposed where a formation of robots can transport a load of known dimensions. The formation is seen as a rigid structure with a virtual robot in the center and the others around it. First, a trajectory with tangential and curvature continuity is generated. Then, the non-linear trajectory tracking control is applied to the virtual robot and its linear and angular velocities are obtained, from which, and with the motion equations of a rigid body, the velocities of the rest of the robots are calculated. Finally, the local speed tracking control of each of them is carried out., Máster Universitario en Ingeniería Electrónica

[ES] En este artículo se presenta una revisión de literatura sobre criterios de desempeño para evaluar la navegación de un robot móvil, los cuales ayudan a comparar cuantitativamente diferentes características, como: el sistema de control, la navegación en diferentes entornos de trabajo, el desempeño energético, etc. El interés en criterios de desempeño y procedimiento de comparación (benchmarks) ha crecido en los últimos años, principalmente por investigadores y fabricantes de robots que buscan satisfacer la creciente demanda de aplicaciones en el mercado global, cada vez más competido. El conjunto de criterios está compuesto por métricas, índices, mediciones y benchmarks, desde el más básico como contabilizar el éxito en alcanzar la meta, pasando por otros más elaborados como los de seguridad en la trayectoria generada en la evasión de obstáculos, hasta criterios que comparan aspectos más complejos de la navegación como el consumo energético. Finalmente, se describen algunos benchmarks y software para simulación y comparación de algoritmos de navegación. Estos criterios se constituyen en una importante herramienta para diseñadores e investigadores en robótica móvil., [EN] This paper presents a literature review on performance criteria to evaluate the navigation of a mobile robot, which help to quantitatively compare different characteristics such as the control system, navigation in different work environments, energy performance, etc. The Interest in performance criteria and benchmarks has grown in recent years, mainly by researchers and robot manufacturers seeking to meet the growing demand for applications in the increasingly competitive global market. The set of criteria is made up of metrics, indexes, measurements, and benchmarks, from the most basic such as counting the success in reaching the goal, and others more elaborate such as security on the trajectory generated avoiding obstacles, to criteria that compare complex aspects of navigation such as energy consumption. Finally, some benchmarks and software for simulation and comparison of navigation algorithms are described. These criteria are an important tool for designers and researchers in mobile robotics., Los autores agradecen al Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid y la Universidad Nacional de Colombia sede Medellín por el apoyo recibido.

[ES] El objetivo principal de la presente propuesta de Trabajo Fin de Máster es el desarrollo de un sistema de detección y evasión de colisiones en trayectorias situadas en el espacio tridimensional. Para ello se aborda y se calcula la intersección de las trayectorias para obtener el posible encuentro de dos elementos que están recorriendo sus respectivos trayectos. En el caso de que se detecte una posible colisión se debe generar una (o más) trayectorias de evasión. Estas trayectorias se apoyan en el método de aproximación de puntos basados en curvas de Bézier acompañadas de un método de evasión de colisiones empleando la teoría de mínimos cuadrados con restricciones. Para alcanzar este objetivo es necesario desarrollar y diseñar un simulador que permita al usuario introducir los datos de las trayectorias que se analizan. De esta forma se pueden verificar y validar los diferentes algoritmos computacionales para la detección y la evitación de colisiones. Una vez desarrollado el simulador se debe implementar y validar este sistema sobre un sistema real. En concreto se propone utilizar la célula robótica existente en el Laboratorio de Robótica del Dpto. de Ingeniería de Sistemas y Automática. Se emplea un robot industrial IRB 140 (de la empresa ABB), un robot colaborativo UR3 (de Universal Robots) y una cinta transportadora. Con la ayuda del simulador y del sistema real del laboratorio es posible abordar el estudio de varios métodos que potencian las características de las curvas de Bézier. Se analizan varios casos: comprobación de la existencia de colisión (y evasión) entre la trayectoria de un robot y un objeto situado en una cinta transportadora; comprobación de la existencia de colisión con otro robot que sigue una trayectoria en sus proximidades; y cálculo de la trayectoria de un robot colaborativo para que se produzca un encuentro con un objeto en la cinta y se golpee para desecharlo de la misma. Para todo esto se programan, en los lenguajes de programación de cada robot, los distintos algoritmos de detección y evitación de colisiones, así como la comunicación y la coordinación entre ellos., [EN] The main objective of the present TFM is the development of a system for detection and evasion of collisions in trajectories located in three-dimensional space. The intersection of the trajectories is calculated to obtain the possible confluence of elements that are traveling their paths. In the event that a possible collision is detected, one (or more) evasion trajectories must be generated. These trajectories are based on the approach method of points defined by Bézier curves accompanied by a collision evasion method using the theory of least squares with restrictions. To achieve this goal it is necessary to develop and design a simulator that allows the user to enter the data of the trajectories that are analyzed. In this way, the different computational algorithms for the detection and avoidance of collisions can be verified and validated. Once the simulator has been developed, this system must be implemented and validated on a real system. Specifically, it is proposed to use the existing robot cell in the Robotics Laboratory of the Department of Systems Engineering and Automation. The industrial robot IRB 140 (from ABB), the collaborative robot UR3 (from Universal Robots) and a belt conveyor are used for the tests. Whit simulator help and the real laboratory system it is possible to approach the study of several methods that enhance the characteristics of the Bézier curves. The cases analyzed in this paper are: checking for the existence of collision (and evasion) between the path of a robot and an object located on a belt conveyor; checking for the existence of collision with another robot that follows a trajectory in its vicinity; and calculation of the trajectory of a collaborative robot for the interception with the trajectory of an object to dispose of it from the belt conveyor. The different collision detection and avoidance algorithms are programmed, as well as communication and coordination between them in the programming languages of each robot.

ResumenEn este trabajo de investigación, se estudia el problema de control de seguimiento de trayectorias en un péndulo de rueda inercial. Los resultados son presentados de una forma constructiva. Primero, se obtiene un controlador basado en el modelo utilizando la técnica de linealización por retroalimentación de salida. Posteriormente, el controlador es rediseñado al incorporar una red neuronal con el propósito de evitar el conocimiento de los parámetros exactos del péndulo de rueda inercial, y se obtiene un diseño robusto. Se usa un perceptrón de dos capas, cuyos pesos de salida son actualizados en tiempo real utilizando una ley de adaptación derivada del análisis de convergencia de las soluciones del sistema de lazo cerrado. El lema de Barbalat se utiliza para concluir que las trayectorias del error de seguimiento del péndulo convergen a cero. Se presentan simulaciones numéricas y experimentos en tiempo real, que confirman los resultados teóricos.AbstractIn this paper, the problem of trajectory tracking control in an inertia wheel pendulum is studied. Results are presented in a constructive form. First, a model-based controller is obtained by using the output feedback linearization technique. Then, the controller is redesigned by incorporating a neural network with the aim of avoiding the exact parameters knowledge of the inertia wheel pendulum, obtaining a robust control scheme. A two-layer perceptron is used, whose output weights are updated in real-time using an adaption law derived from the analysis of convergence of the closed-loop system solutions. Barbalat's lemma is used to conclude that the pendulum tracking error trajectory converges to zero. Numerical simulations and real-time experiments are presented, which confirm the theoretical results.

[ES] Este artículo aborda el problema de seguimiento de trayectoria de un aerodeslizador subactuado. Esta clase de sistemas es difícil de controlar debido a que su movimiento está sujeto a una restricción no holonómica de segundo orden. La resolución de este complejo problema requiere la descomposición de la dinámica del sistema en dos subsistemas (posición y orientación) para los que se diseña una ley de control basada en dos controladores no lineales en cascada. El lazo externo de control calcula los valores de la fuerzas en el sistema inercial Fx y Fy que deberían aplicarse al aerodeslizador para seguir la trayectoria deseada. A partir de estas fuerzas se determina la referencia para la orientación, ψc, entrada del lazo interno. Por su parte, el lazo interno intenta controlar la orientación para de esta forma seguir las referencia ψc del lazo externo. Ambos controladores se han diseñado teniendo en cuenta la saturación de los actuadores. En particular, el principal resultado de este artículo muestra que en los casos donde la trayectoria está adecuadamente definida, es posible ajustar los parámetros del controlador para evitar la saturación de los actuadores. Este trabajo demuestra de forma teórica la estabilidad asintótica global del error de seguimiento bajo la acción del controlador propuesto. Además, mediante simulaciones, se analiza el comportamiento del sistema y el significado práctico de los resultados teóricos., [EN] This paper deals with the interesting problem of trajectory tracking of an underactuated hovercraf. This system is difficult to control because it exhibits second order nonholonomic restrictions on its movement. In order to solve the control problem the dynamics of the system is discomposed in two subsystems (one for position and another for orientation) and a nonlinear control law based on two nonlinear cascaded controllers is designed. On one hand the outer, loop computes the forces that are necessary to track the spatial trajectory Fx and Fyin the inertial frame. Based on this forces, the reference for the orientation ψc is computed and it is feedback to the inner loop. On the other hand, the inner loop tries to converge the orientation to the reference ψc given by the outer loop. Both controllers are designed taking into account saturation of the actuators. In fact the main result of this paper shows that if the reference trajectory is given properly it is possible to avoid saturation of the actuators. With adequate selection, global asymptotic stability of the tracking error under the proposed control law is theoretically demonstrated. In addition simulations are made in order to analyze the performance of the control law and the practical meaning of the theoretical results., Los autores quieren agradecer el apoyo recibido del Ministerio de Ciencia e Innovación a través del Proyecto DPI2009-14552-C02

Este artículo presenta un sistema robótico autónomo compuesto por un dirigible para interiores, un sistema de vídeo inalámbrico, un PC y una aplicación para el seguimiento de trayectorias y objetivos en tierra con alto contraste. Se ha simplificado el modelo del dirigible con el fin de obtener su modelo lineal, con el cual se han definido objetivos de control como la orientación relativa del dirigible y la distancia de éste a objetivos en tierra. Se ha diseñado una estrategia de control PD tanto para la orientación como para la distancia a los objetivos, alcanzando un tiempo de estabilización de 5s y un sobre-impulso de 5%. La cámara es el único sensor de realimentación, cuyas imágenes son procesadas para: la segmentación de trayectorias, usando la transformada de Hough, el operador de Canny y un filtro mediana; la segmentación de objetos en tierra, usando diferenciación por color en HSI. Se realizaron pruebas para el seguimiento de trayectorias lineales, curvas y una combinación de ellas, arrojando errores de orientación inferiores a ±14º y distancia de ±5pixeles. Se realizaron pruebas para el seguimiento de objetivos en tierra, describiendo trayectorias lineales y curvas, arrojando errores de distancia de ±39 pixeles que corresponden al 8,33% de las dimensiones de la imagen y orientación en el sentido del objetivo de ±12º. This paper presents a robotic autonomous system composed by an indoors airship, a wireless video system, a PC and a tracking software for ground trajectory and high contrasted target tracking. The airship’s model has been simplified in order to get its lineal model, with which we defined the control objectives as relative heading and distance between the airship and groundtargets. A PD control strategy has been designed as airship’s heading as distance to goals, reaching a stabilization time of 5s and a overshoot of 5%. The video camera is the only feedback sensor; its images are processed for: trajectory segmentation using the Hough transform, Canny operator and a median filter; and ground-target segmentation, using color detection in the HIS space. Lineal, curved and lineal-curved combination trajectories tests were performed, reaching heading errors less than ±14º and distance of ±5pixels. Ground-targets tracking tests were performed, describing lineal and curved trajectories and reaching distance errors of ±39pixels, which corresponds to 8,33% image’s dimensions and orientation along goals’ heading of ±12º.

[ES] En este trabajo se presenta el control del convertidor de potencia de CD a CD Boost. En este sistema existen dos problemas de control, a saber; la regulación alrededor de un punto de equilibrio y la de seguimiento de trayectoria del voltaje de salida. Nosotros enfocamos nuestra atención al segundo problema de control. Debido a las propiedades de fase que satisface este convertidor, para realizar la tarea de seguimiento de trayectoria se diseña un controlador indirecto basado en modos deslizantes en combinación con planitud diferencial, el cual permite el seguimiento de trayectoria de la variable de fase no mínima (voltaje) basado en el seguimiento de trayectoria de la variable de fase mínima (corriente). La síntesis de este controlador se realiza con la ayuda de una tarjeta de adquisición de datos National InstrumentsTM PCI-6025E junto con el software de aplicación MATLAB®-Simulink®. Se aplica este controlador al prototipo del convertidor Boost desarrollado y se obtienen resultados experimentales satisfactorios. [EN] This paper is concerned with control of the DC/DC boost converter. Specifically, we propose a solution for output voltage trajectory tracking. Because of the non-minimum phase property of this converter when voltage is the controlled output we design an indirect control strategy based on a combination of sliding modes and differential flatness. This means that we achieve output voltage trajectory tracking by means of a controller which is designed for output current trajectory tracking. We also present some experimental results using the proposed control strategy which show that satisfactory performance is achieved. We use the National Instruments TM PCI-6025E electronic card together with MATLAB®–Simulink®. R.Silva-Ortigoza agradece el soporte económico recibido por la Secretaría de Investigación y Posgrado del IPN (SIP-IPN),a través del proyecto 20080821, y del programa EDI, así como al Sistema Nacional de Investigadores (SNI), México.V. M. Hernández-Guzmán agradece al SNI el soporte económico recibido.

En el presente artículo se desarrolla e implementa un esquema de control, que usa una técnica no lineal conocida como Linealización por Realimentación y una estrategia de seguimiento de trayectoria, con el que se busca controlar de forma global el Péndulo con Rueda de Reacción. Tal esquema genera una señal de control que cancela la no linealidad de la planta y regula el error de seguimiento. Los resultados de la implementación práctica verifican la validez del planteamiento. This document shows the implementation of a nonlinear based on Feedback Linearization and a tracking scheme to control the Reaction Wheel Pendulum. The implementation is proposed in order to cancel the nonlinearity and to reduce the tracking error.