Modele i algorytmy sterowania dla różnych struktur układowych i informacyjnych

1.    Streszczenie tematu badawczego ( krótkie ) i pojęcia kluczowe:

W projekcie prowadzono prace związane z pozyskiwaniem, przetwarzaniem i przesyłaniem informacji oraz syntezy, analizy i optymalizacji sterowania złożonymi układami dynamicznymi. W szczególności badane były problemy dotyczące m.in.: algorytmów filtracji, nadążania, tłumienia zakłóceń oraz metod szacowania jakości sterowania, metod sterowania odpornego obiektami nieliniowymi, modelowania i symulacji złożonych obiektów dynamicznych, dynamiki robotów, grafowych reprezentacji sieci komunikacji miejskiej oraz grafowej reprezentacji danych psychospołecznych.
pojęcia kluczowe
układy przekaźnikowe, filtracja stanu, roboty mobilne, bezzałogowe aparaty latające, reprezentacja grafowa, magnetometry

2.    Dyscyplina naukowa:

Automatyka i Robotyka

3.    Symbol pracy:

BK/214/RAU1/2013, zadanie nr 1

4.    Jednostka Uczelni realizująca temat:

Instytut Automatyki Politechniki Śląskiej

5.    Termin realizacji:

2.01.2013-31.12.2014

6.    Zespół wykonujący:

          Prof. dr hab. inż. M. Błachuta                    ........................
          Prof. dr hab. inż. R. Gessing                    ........................
          Prof. dr hab. inż. Z. Duda                      ........................
          dr hab. inż. A. Gałuszka                       ........................
          Dr inż. R. Czyba                                        ........................
          Dr inż. K. Jaskot                                        ........................
          Dr inż. R. Bereska                                        ........................
          Dr inż. M. Niezabitowski                               ........................
          Dr inż. K. Skrzypczyk                                   ........................
          Dr inż. R. Zawiski                                        ........................
          Mgr inż. W. Janusz                                  ........................
          Mgr inż. G. Szafrański                                  ........................
          Mgr inż. T. Grzejszczak                                  ........................
          Mgr inż. A. Olczyk                                  ........................

 
 STRESZCZENIE TEMATU:

W projekcie prowadzono prace związane z pozyskiwaniem, przetwarzaniem i przesyłaniem informacji oraz syntezy, analizy i optymalizacji sterowania złożonymi układami dynamicznymi. W szczególności badane były problemy dotyczące m.in.: algorytmów filtracji, nadążania, tłumienia zakłóceń oraz metod szacowania jakości sterowania, metod sterowania odpornego obiektami nieliniowymi, modelowania i symulacji złożonych obiektów dynamicznych, dynamiki robotów, grafowych reprezentacji danych psychospołecznych.
W pracy [1] rozpatrywane są dwa typy układów przekaźnikowych pracujących w obecności szumów pomiarowych: ze sterowaniem poślizgowym i z korektorem równoległym. Pokazuje się, że w przypadku układów ze sterowaniem poślizgowym, rozpowszechniony w literaturze pogląd o ich odporności zazwyczaj nie jest prawdziwy w przypadku występowania szumów pomiarowych. Zwraca się także uwagę na to, że tylko przekaźnik z histerezą może generować odpowiednie przełączenia pracując z układem dynamicznym o rzędzie względnym równym 1. Powszechnie stosowany układ w którym zamiast przekaźnika występuje element opisany funkcją sign(..) nie będzie generował właściwych przełączeń i ściśle rzecz biorąc jest niepoprawny. Równocześnie pokazuje się, że układ z korektorem równoległym dobrze sobie radzi z szumami pomiarowymi.
    W pracy [2] opracowano algorytm filtracji stanu w problemie sterowania liniowo kwadratowego (LQG) realizowanego w złożonym systemie dynamicznym (tzw. Multisensor system). Pomiary stanu dokonywane w rozproszonych podsystemach (tzw. Pomiary lokalne). Wykorzystywane są do oceny stanu, która wpływa na wartości optymalnych sterowań. Globalna ocena stanu wyznaczana jest z ocen lokalnych na podstawie lokalnej informacji pomiarowej. Zakłada się, że sterowania nie są znane przez lokalnych decydentów. To prowadzi do niekonwencjonalnego problemu filtracji stanu rozwiązanego w prezentowanej pracy.
    Artykuł [3] opisuje sposób wykorzystania grupy robotów mobilnych do budowania mapy otoczenia. Przedstawiona została konstrukcja użytych robotów mobilnych oraz opisano zastosowane algorytmy budowania mapy otoczenia. Zaprezentowano wyniki działania algorytmów w rzeczywistym środowisku.
Celem pracy [4] było opracowanie algorytmu bazującego na teorii grafów, którego zadaniem jest wyszukiwanie połączeń w sieci komunikacji miejskiej. Aplikacja została zaprojektowana uniwersalnie, oznacza to, że może być użyta dla dowolnego systemu komunikacji miejskiej. Moduł wyszukiwania z powodzeniem może zostać użyty w aplikacji mobilnej, na telefonie komórkowym. Dzięki modułowej budowie, w połączeniu z niewielkim zapotrzebowaniem na moc obliczeniową i zasoby pamięci, możliwe jest zbudowanie aplikacji, która będzie pozwalała na spersonalizowane wyszukiwanie trasy w sieci komunikacji miejskiej, bez aktywnego połączenia z internetem.
    W ramach artykułu [5] opisano badania z dziedziny wykrywania i lokalizacji punktów
charakterystycznych dłoni. W trakcie opisywanych badań wybrano cztery wiodące algorytmy detekcji punktów charakterystycznych dłoni, zaimplementowano je oraz porównano w celu określenia ich silnych i słabych stron. Badania te w późniejszym etapie przyczyniły się do powstania autorskiego algorytmu detekcji punktów charakterystycznych dłoni, na którym oparto rozprawę doktorską autora.
W artykule [6] zaprezentowano metodę kompensacji błędów magnetometru zamontowanego na bezzałogowej platformie wielowirnikowej. Błędy te są wynikiem przepływu prądu przez silniki bezszczotkowe platformy. Kompensacja oparta była o model wiążący przepływ prądu przez silniki ze zmianami pola magnetycznego wokół magnetometru, wykorzystano do tego celu modele lokalnie liniowe. Walidację zaproponowanej metody, przeprowadzono na danych pochodzących z rzeczywistego eksperymentu.
Praca [7] dotyczy układu napędowego, odgrywającego kluczową rolę w każdym bezzałogowym aparacie latającym samolotu. Biorąc pod uwagę różne platformy wielowirnikowe możemy zauważyć, że  wydajności konkretnego aparatu oraz jego dynamika jest ściśle uzależniona od jednostki napędowej. W artykule skupiono uwagę na problemie modelowania i identyfikacji układu napędowego składającego się z elektronicznego regulatora prędkości, bezszczotkowego silnika prądu stałego i śmigła. Zaproponowano nieliniowy model zespołu napędowego o wielu wejściach i wielu wyjściach  w oparciu o zorientowany blokowo model ze statyczną nieliniowością na wejściu i liniową częścią dynamiczną na wyjściu. Taki model, wzbogacony o aerodynamikę teorii śmigła powinien być odpowiednio szczegółowy, aby umożliwić symulację algorytmów sterowania i weryfikacji prototypów. Rozwiązanie w takiej formie umożliwia dokładne projektowanie aparatu pionowego startu i lądowania.
W pracy [8] zaprezentowano sposób estymacji orientacji obiektu, w postaci kątów Eulera, w przestrzeni 3D z wykorzystaniem naiwnego filtru Kalmana. Wykorzystując założenie z systemów klasyfikacji bayesowskiej, że wektor pomiarowy prędkości kątowej modelujący pewne zdarzenie może być rozpatrywany jako zbiór trzech niezależnych zdarzeń, dokonano syntezy niezależnych filtrów Kalmana dla każdej z osi układu współrzędnych RPY. Zaprezentowano fuzję danych z rzeczywistego czujnika IMU integrującą dane pomiarowe z trójosiowych żyroskopów, akcelerometrów oraz magnetometrów.
Celem prac [9] i [10] jest zastosowanie metod sztucznej inteligencji do analizy rzeczywistych danych o czynnikach psychospołecznych w przewlekłych chorobach somatycznych, oraz zamodelowanie zależności emocjonalnych w zależności od choroby: nowotworu lub nadciśnienia tętniczego. Temat jest opracowywany we współpracy z Instytutem Psychologii Uniwersytetu Śląskiego, skąd pochodzą dane. Zastosowano analizę grafową ww danych oraz dodatkowo zastosowano sieci bayesowskie do analizy przyczynowości w danych skorelowanych pomiędzy sobą. Efektem jest opracowanie modelu zależności pomiędzy czynnikami psychospołecznymi u pacjentów chorych na nowotwory i nadciśnienie tętnicze na podstawie dostępnych danych.
Celem projektu (A) było zbudowanie funkcjonalnego prototypu skanera 3D, a następnie przeprowadzenie testów mających sprawdzić jego dokładność i funkcjonalność. Zasada działania urządzenia oparta została na metodzie optycznej triangulacji bazującej na wiązce laserowej. Projekt obejmował wykonanie konstrukcji mechanicznej urządzenia,  zaprojektowanie oraz wykonanie modułu elektronicznego odpowiedzialnego za sterowanie elementami wykonawczymi, a także implementację oprogramowania po stronie stworzonego sterownika i komputera PC. Testy zbudowanego prototypu urządzenia pozwoliły na przeprowadzenie analizy jego dokładności i funkcjonalności uwzględniając przy tym różne warunki, między innymi wpływ oświetlenia, wpływ faktury powierzchni, a także wpływ barwy przedmiotu na uzyskiwaną jakość skanowania.


Wykaz publikacji będących wynikiem realizacji tematu badawczego:

1.    Gessing R. Sliding Mode versus Parallel Compensator Based Control under Measurement Noise. Preprints of the 19-th World Congress, Cape Town, South Africa, August 24-29 2014.pp.4601-4606.
2.    Duda Z. Fusion filtration in LQG control for multisensory systems. Control and Cybernetics, vol. 42, No.4, pp.743-754, 2013.
3.    Jaskot K., Knapik K. Budowa mapy otoczenia z wykorzystaniem grupy robotów mobilnych. Przegląd Elektrotechniczny, No.2, 2014, pp. 91-99.
4.    Olczyk A. and Grzejszczak T.  A new intelligent passenger information platform for public transport. Carpathian Logistics Congress, Kraków, 2013 - nagroda za najlepszy plakat.
5.    Grzejszczak T., Gałuszka A., Niezabitowski M., Radlak K. 2014. Comparison of Hand Feature Points Detection Methods. L.M. Camarinha-Matos et al. (Eds.): DoCEIS 2014, IFIP AICT 423, pp. 167–174.
6.    Czyba R., Janusz W., Szafrański G. Compensation of Magnetometers Error Based on Nonlinear Models for Multimotor Aerial Robots Applications. 2014 International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS), May 27-30, 2014, Orlando, USA, pp. 885-889.
7.    Szafrański G., Czyba R., Błachuta M. Modeling and Identification of Electric Propulsion System for Multirotor Unmanned Aerial Vehicle Design. 2014 International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS), May 27-30, 2014, Orlando, USA, pp. 470-476.
8.        Bieda Robert, Grygiel Rafal, Galuszka Adam. Naive Kalman filtering for 3D object orientation. [rozdział w] Innovative Simulation Systems, wyd. Springer. Praca w recenzji.
9.    Galuszka Anita, Galuszka Adam. 2014. Graphical models of psychosocial factors in chronic somatic diseases. Procedia Computer Science, DOI: 10.1016/j.procs.2014.08.197.
10.    Gałuszka Anita, Adam Gałuszka. 2014. Graphs, Trees and Forests as Models of Psychosocial Factors. 25th Nordic Conference in Mathematical Statistics NORDSTAT, Turku University, June 2-6, 2014, book of abstracts.
11.    Chwila, S., Zawiski, R., Babiarz, A., “Developing and Implementation of the Walking Robot Control System" in: ICMMI 2013 International Conference on Man-Machine Interactions, October 22–25, The Beskids, Poland.
12.    Babiarz A., Zawiski R., Palenta K., „Vision-based KUKA KR3 robot motion control”, Polish innovations in automation and robotics, Oficyna Wydawnicza PIAP, Warszawa
13.    Zawiski R., M. Błachuta. Modelling and optimal control system design for quadrotor platform – an extended approach. Bulletin Of The Polish Academy Of Sciences Technical Sciences, Vol. 62, No. 3, 2014, DOI: 10.2478/bpasts-2014-0058.
14.    Skrzypczyk Krzysztof. Conception of a Diagnostic System for Evaluating a Technique Correctness and Effectiveness of Running. [rozdział w] Innovative Simulation Systems, wyd. Springer. Praca w recenzji.
15.    Skrzypczyk Krzysztof, Martin Mellado. Handling uncertainty of resource division in multi agent system using game against nature. Archives of Control Sciences, Volume 24(LX), 2014, No. 3, pages 257–279.

Projekty zrealizowane w ramach tematu badawczego:

A.    Budowa prototypu skanera 3D. Autor: Rafał Drzymała, Kierujący pracą: dr inż. Damian Bereska