Modele i algorytmy sterowania dla różnych struktur układowych i informacyjnych

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

    Celem badań było pozyskiwanie, przetwarzanie i przesyłanie informacji oraz synteza, analiza i optymalizacja 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, realizacji pomiaru wysokości odpornego na zakłócenia, warunków wystarczających na ciągłość (stabilność) wykładników Lapunowa dyskretnych liniowych niestacjonarnych układów, filtracji stanu w złożonym systemie dynamicznym opisanym modelem liniowym z zakłóceniami stanu i pomiaru, planowania warunkowego tj. planowania w sztucznej inteligencji przy założeniu niekompletności informacji o stanie początkowym problemu.
Słowa kluczowe: automatyka i robotyka, UAV, stabilność, planowanie w sztucznej inteligencji, sterowanie odporne.

2.    Dyscyplina naukowa:

Automatyka i robotyka

3.    Symbol pracy:    

BK/219/RAU1/2012, zadanie nr 1

4.    Jednostka Uczelni realizująca temat:

Instytut Automatyki Politechniki Śląskiej, Zakład Sterownia i Robotyki

5.    Termin realizacji:  

09.02.2012 - 31.12.2013

6.    Zespół wykonujący:

Prof. dr hab. inż. M. Błachuta
Prof. dr hab. inż. Z. Duda
Prof. dr hab. inż. A. Czornik
Prof. dr hab. inż. A. Nawrat
Dr inż. R. Bieda
Dr inż. R. Czyba
Dr inż. A. Gałuszka
Dr inż. R. Grygiel
Dr inż. M. Pacholczyk
Mgr inż. M. Niezabitowski
Mgr inż. W. Janusz
Mgr inż. G. Szafrańśki
Mgr inż. T. Grzejszczak
Mgr inż. A. Olczyk

Streszczenie projektu    

Celem badań w projekcie było pozyskiwanie, przetwarzanie i przesyłanie informacji oraz synteza, analiza i optymalizacja 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.
W ramach projektu wykonano szereg prac związanych z tematyką projektowania, modelowania i sterowania systemami automatyki.
W kilku pracach podejmowano tematykę UAV. W pracy “Managing system architecture for multi-rotor autonomous platform-practical aspects” rozważano najpopularniejsze platformy – wielowirnikowe, posiadające zdolność do pionowego startu i lądowania.  W większości przypadków są one jednak bardzo często obsługiwane poprzez pilotów znajdujących się na ziemi, wyposażony w aparaturę do zdalnego sterowania.  W artykule przedstawiono komponenty mechaniczne, architekturę elektryczną i strukturę oprogramowania naziemnej stacji kontroli lotu (SKN). Urządzenie to stanowi interfejs  pomiędzy operatorem, a aparatem latającym, dzięki któremu użytkownik systemu może wykonywać  bardziej złożone zadania operacyjne. Głównym celem prezentowanego urządzenia jest przyjazny dla użytkownika docelowego interfejs, który wraz z odpowiednio dostosowaną mechaniką i elektroniką daje możliwości sterowania i planowania zadań nawet mniej doświadczonym operatorom systemu, redukując w znacznym stopniu czas potrzebny do opanowania umiejętności prowadzenia działań w terenie tego typu obiektami.
Z kolei w pracy “Data Fusion Algorithm for the Altitude and Vertical Speed Estimation of the VTOL Platform” pokazano, że autonomiczna realizacja zadań lądowania/startu platformy pionowego startu, znacznie upraszcza proces sterowania tego typu obiektem. Jednocześnie implementacja tego typu scenariuszy pozwala na wykonywanie zadań startu/lądowania w sytuacjach awaryjnych. Jednym z wymagań pozwalających na implementację algorytmów sterowania ruchem pionowym platformy jest dostępność informacji pomiarowej która jest możliwie odporna na zakłócenia. W artykule opisano algorytm estymacji wysokości oraz prędkości pionowej. Algorytm wykorzystujący cztery źródła informacji: czujnik ciśnienia, czujnik ultradźwiękowy, akcelerometr oraz układ GPS, oparto o nieliniowy filtr mający na celu stłumienie impulsowych zakłóceń obecnych w pomiarze ultradźwiękowym, filtr komplementarny oraz o filtr Kalmana. Weryfikacja zaproponowanego rozwiązania została przeprowadzona na drodze symulacji.
Praca “Altitude Estimation for the UAV’s Applications Based on Sensors Fusion Algorithm” dotyczy realizacji pomiaru wysokości, odpornego na zakłócenia. Nie jest to zadaniem łatwym ze względu na zmienne warunki otoczenia oraz różną charakterystykę zakłóceń obecnych w urządzeniach pomiarowych mających ów pomiar realizować. Artykuł ten skupia się na problemie estymacji wysokości wykorzystując w tym celu dwa różne czujniki, czujnik ciśnienia oraz czujnik ultradźwiękowy. Zaproponowane rozwiązanie pozwala na rozwiązanie problemu ograniczonego zasięgu czujników ultradźwiękowych oraz dryftu obecnego w pomiarze wysokości za pomocą czujnika ciśnienia. Wykorzystano w tym celu  nieliniowy filtr mający na celu stłumienie impulsowych zakłóceń obecnych w pomiarze ultradźwiękowym oraz wykorzystanie funkcji określającej wagi każdego z dwóch pomiarów w końcowej ocenie wysokości. Weryfikacja przedstawionego rozwiązania została przeprowadzona zarówno przy wykorzystaniu danych syntetycznych jak i pochodzących z rzeczywistego eksperymentu. Prócz algorytmu estymacji, opisana została stworzona platforma bezzałogowa oraz charakterystyka błędów czujników ciśnienia oraz błędów czujnika ultradźwiękowego.
Z kolei w pracy “UAV Airplane Control System Design Via Time-Scale Separation Technique” przedstawiono zagadnienie projektowania układu śledzenia trajektorii lotu dla bezzałogowego samolotu w obecności zewnętrznych zakłóceń w postaci wiatru i niepewności modelu aerodynamiki. W układzie sterowania zastosowano strukturę kaskadową, w której każda pętla regulacyjna jest projektowana w układzie dwóch skal czasowych z uwzględnieniem dynamiki samolotu. Metodę separacji skal czasowych zastosowano do analizy szybkich i wolnych ruchów w układzie zamkniętym i w celu uzyskania zależności pozwalających na określenie parametrów regulatora. Dla kątów Eulera i prędkości kątowych wartości parametrów regulatora dobrano tak, aby zapewniały stabilną pracę podczas szybkich ruchów w układzie, a jednocześnie zachowanie się wolnego podukładu wykazywało pożądane przebiegi przejściowe dla szerokiego zakresy zmian charakterystyk aerodynamicznych i zewnętrznych zakłóceń w postaci wiatru. Uzyskane wyniki symulacji potwierdzają efektywność umówionej metodologii projektowania.
Z kolei w artykule „Hierarchical filtration for distributed linear multisensor systems” sformułowano problem filtracji stanu w złożonym systemie dynamicznym opisanym modelem liniowym z zakłóceniami stanu i pomiaru.  Założono, że oceny stanu są wyznaczane w strukturze hierarchicznej . Wykorzystując lokalną informację pomiarową o stanie całego systemu lokalni decydenci określają jego ocenę a następnie przesyłają ją do jednostki centralnej, która na tej podstawie dokonuje ostatecznej oceny stanu  systemu. Opracowano dwa algorytmy filtracji stanu. W pierwszym założono, że lokalne podsystemy otrzymują informację pomiarową o lokalnym stanie, który jest liniową kombinacją  pełnego stanu systemu. Na tej podstawie wyznaczają oceny lokalnego stanu. Z drugiej strony wyznaczana jest ocena optymalna całego stanu na podstawie pełnej informacji zebranej z lokalnych podsystemów.  W pracy pokazano, że ta ocena może być wyznaczona na podstawie lokalnych ocen, co prowadzi do realizacji filtracji w strukturze hierarchicznej. Jest to możliwe dzięki wykorzystaniu tzw. informacyjnego filtru Kalmana i prowadzi do zmniejszenia złożoności obliczeniowej. Drugi algorytm zakłada, że ocena stanu całego systemu wyznaczana jest przez lokalnych decydentów na podstawie ich lokalnej informacji pomiarowej i periodycznie przekazywanej zagregowanej informacji z pozostałych podsystemów. Te lokalne oceny są  przekazywane na poziom wyższy periodycznie, co prowadzi wprawdzie do suboptymalnej filtracji, ale zmniejsza ilość przesyłanej informacji w systemie i zmniejsza nakład obliczeniowy.
Z kolei artykuł „Wyznaczanie orientacji IMU w przestrzeni 3D z wykorzystaniem macierzy tensora rotacji oraz niestacjonarnego filtru Kalmana”, prezentuje opis metody umożlwiającej wyznaczenie parametrów orientacji obiektu w przestrzeni 3D. Kąty rotacji wyznaczane są z wykorzystaniem fuzji sygnałów uzyskanych z układu pomiarowego IM. Układ IMU dostarcza informacje z trójosiowych czujników przyspieszenia liniowego (akcelerometrów), czujników pola magnetycznego Ziemi (magnetometrów) oraz układu czujników prędkości kątowej (żyroskopów). Informacja o orientacji obiektu prezentowana jest w postaci ortogonalnego tensora rotacji, którego elementy stanowią obserwowany wektor stanu w niestacjonarnym modelu filtru Kalmana. Elementy wektora stanu umożliwiają również wyznaczenie kątów rotacji (roll, pitch, yaw) układu związanego z obiektem. Uzyskane przebiegi czasowe, poszczególnych kątów rotacji, nie wykazują negatywnych cech związanych z budową i działaniem układu pomiarowego czujników IMU. Definicja opisanego rozwiązania umożliwia również prostą i skuteczną implementację proponowanej metody w układach pomiarowych IMU.
W artykule „Model identification and data fusion for the purpose of the altitude control of the VTOL aerial robot” przedstawiono zagadnienie sterowania wysokością lotu bezzałogowego obiektu latającego znanego jako quadrotor. Jednym z wymagań w celu prawidłowego funkcjonowania układu sterowania wysokości lotu jest wiarygodna estymacja wysokości i prędkości pionowej dokonana na podstawie możliwych pomiarów. W niniejszej pracy przedstawiono algorytm estymacji wysokości i prędkości pionowej bazujący na filtrze Kalmana, w którym wykorzystano pomiary z czujnika odległościowego ultradźwiękowego i akcelerometru. Na podstawie przeprowadzonej estymacji zbudowano nieliniowy model Hammersteina-Wienera dla prędkości pionowej i model parametryczny wysokości lotu. Następnie uzyskany model ruchu pionowego quadrotora zastosowano w procesie projektowania kaskadowego układu sterowania wysokości lotu. W efekcie końcowym, na platformie sprzętowej przeprowadzono weryfikację i testy zaprojektowanego regulatora.
W referacie „UAV Control Scheme for Trajectory Realization Under Non-Zero Wind Condition” rozpatruje się problem realizacji trajektorii samolotu poruszającego się w warunkach wiatru wiejącego z prędkością  współmierną z prędkością samolotu.  Zaprezentowany algorytm sterowania  ustalający kat odchylenia tak, aby uzyskać kąt kursu prowadzący do waypointa i właściwy dla aktualnego wiatru jest następnie badany na drodze symulacji ruchu samolotu.  Zakłada się, że samolot posiada układy stabilizacji kątów oraz prędkości  względem powietrza, a trajektoria jest sparametryzowana za pomocą układu waypointów.
W zadaniu BK podejmowano również inna problematykę. Np., celem pracy „On the stability of Lyapunov exponents if didscrete linear systems” było podanie warunku wystarczającego na ciągłość (stabilność) wykładników Lapunowa dyskretnych liniowych niestacjonarnych układów. Następnie korzystając z tego wyniku pokazaliśmy, że wykładniki Lapunowa układu stacjonarnego zależą w sposób ciągły od niestacjonarnych zakłóceń.
W pracy „Translation  Of  Conditional  Robot  Action  Planning To  Linear  Programming” przedstawiono problem planowania warunkowego, tj. planowania w sztucznej inteligencji przy założeniu niekompletności informacji o stanie początkowym problemu. Planowanie w Sztucznej Inteligencji jest wnioskowaniem mającym na celu znalezienie sekwencji akcji pozwalającej na osiągnięcie sytuacji docelowej wychodząc z danej sytuacji początkowej. Poszukiwanie rozwiązania w takim przypadku jest trudne obliczeniowo. Celem zwiększenia efektywności zaproponowano transformację do Zadania Programowania Liniowego (ZPL), którą zilustrowano przykładem.
Wreszcie artykuły „Graf dla sieci komunikacji miejskiej - budowa i przeszukiwanie metodą heurystyczną” oraz „A New Intelligent Passenger Information Platform For Public Transport” przedstawiają budowę grafu ważonego modelującego sieć komunikacji miejskiej, który następnie jest wykorzystywany do znalezienia najszybszej drogi między przystankami. Graf uwzględnia informacje o porze dnia, przesiadkach, czasie poruszania się pojazdów między przystankami i oczekiwania na połączenie. Węzły w grafie, podobnie jak połączenia, zależą od czasu odjazdu. Wagi krawędzi są parametryzowaną funkcją czasu. Algorytm wyszukiwania jest modyfikacją algorytmu A*. Rozważona metoda doboru heurystyki zakłada użycie funkcji odległości wykorzystującej współrzędne geograficzne przystanków.
W ramach projektu częściowo sfinansowano także udział grupy badawczej oraz studentów w The Greenpower Corporate Challenge (GCC) 2012, której konstrukcje – samochody elektryczne – zdobyły 1 i 2 miejsce w wyścigach GCC [Broszura Silesian Greenpower, edycja 2012].
W ramach projektu sfinansowano również częściowo opracowanie i wdrożenie 7 zadań w projekcie studenckim pt.: „Projektowanie i prototypowanie dedykowanych układów sterowania”.

Publikacje:

1.    Błachuta M., Czyba R., Janusz W., Szafrański: Data Fusion Algorithm for the Altitude and Vertical Speed Estimation of the VTOL Platform. J Intell Robot Syst, published online 12 October 2013, DOI: 10.1007/s10846-013-9917-4.
2.    Yurkevich V.D., Blachuta M., Janusz W., Czyba R.: UAV Control Scheme for Trajectory Realization Under Non-Zero Wind Conditions, XIV Conference of Young Specialists on Micro/ Nontechnologies and Electron Devices; Rosja 1-3.07.2013, str. 356 – 360, DOI: 10.1109/EDM.2013.6642013.
3.    Yurkevich V.D., Blachuta M., Janusz W., Czyba R.: UAV Airplane Control System Design Via Time-Scale Separation Technique, XIV Conference of Young Specialists onMicro/ Nontechnologies and Electron Devices; Rosja 1-3.07.2013, 349 – 355, DOI: 10.1109/EDM.2013.6642012.  
4.    Szafranski G., Czyba R., Janusz W., Blotnicki W.: Altitude Estimation for the UAV’s Applications Based on Sensors Fusion Algorithm, IEEE Int. Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS), May 28-31, 2013, Grant Hyatt Atlanta, Atlanta, GA, str. 508 – 515, DOI: 10.1109/ICUAS.2013.6564727.
5.    Szafranski G., Janusz W., Czyba R.: Managing system architecture for multi-rotor autonomous platform-practical aspects, Advances in Intelligent Systems and Computing, vol. 242, str. 131-138, DOI: 10.1007/978-3-319-02309-0_14.
6.    Czyba R., Janusz W., Szafrański G.: Model identification and data fusion for the purpose of the altitude control of the VTOL aerial robot. 2nd IFAC Workshop on Research, Education and Development of Unmanned Aerial Systems. (artykuł zaakceptowany), 20-22 listopada 2013, Compiegne, Francja.
7.    Bieda R.: „Wyznaczanie orientacji IMU w przestrzeni 3D z wykorzystaniem macierzy tensora rotacji oraz niestacjonarnego filtru Kalmana”, Przegląd Elektrotechniczny 2013 (w druku).
8.    Czornik A., Nawrat A., Niezabitowski M.: On the stability of Lyapunov exponents if didscrete linear systems. 2013 European Control Conference, July 17-19, 2013, Zurich, Switzerland, pamięć USB (PenDrive) s. 2210-2213
9.    Duda Z.: “Hierarchical filtration for distributed linear multisensor systems”, Archives of Control Sciences, v. 22(LVIII), 2012, no. 4, pp. 507-518.
10.    Galuszka A.: Translation  Of  Conditional  Robot  Action  Planning To  Linear  Programming, Proc. 27th European Simulation and Modelling Conference - ESM'2013, October 23-25, 2013, Lancaster University, Lancaster, UK, 235-238.
11.    Olczyk A., Gałuszka A.: Graf dla sieci komunikacji miejskiej - budowa i przeszukiwanie metodą heurystyczną. XVI Konferencja Logistyki Stosowanej, Zakopane, 6-8 grudzień 2012, CD-ROM.
12.    Olczyk A.: A New Intelligent Passenger Information Platform For Public Transport. Carpathian Logistics Congress, December  9th -11th 2013, Novotel Krakow City West, Kraków, Poland (w druku).

Inne materiały:

1.    Broszura Silesian Greenpower, edycja 2012
2.    Instrukcje do zadań projektowych “Projektowanie i prototypowanie dedykowanych układów sterowania”.