Fecha de publicación: 24/12/2024 Fuente: Biblioteca Universidad Politécnica de Valencia Efficient Design of Wireless Networked Control Systems Applied to UxVs using Non-Conventional Sampling and Event-Based Control Techniques
Carbonell Lázaro, Rafael
[ES] La tesis doctoral se centra en el diseño eficiente de sistemas de control en red NCS aplicados a Vehículos Autónomos No Tripulados (UxVs), empleando técnicas de muestreo no convencional y control basado en eventos. La investigación aborda desafíos inherentes a los NCS, como el desorden y la pérdida de datos en la comunicación, limitaciones en el ancho de banda de la red, recursos computacionales y energéticos limitados, así como retrasos temporales variables.

Se presentan cuatro artículos que contribuyen al tema. El primer y el segundo proponen un control de seguimiento de trayectoria Pure Pursuit para un vehículo terrestre no tripulado (UGV) de tracción en dos ruedas y a cuatro ruedas omnidireccionales, respectivamente, abordando la discrepancia en las frecuencias de muestreo uniforme y no uniforme, respectivamente. El uso de un filtro de Kalman extendido bifrecuencia (DREKF) y no uniforme (NUDREKF), respectivamente, permite estimar las mediciones no disponibles a frecuencia rápida y diseñar un controlador dinámico eficiente con la muestras compensadas por el filtro, logrando hacer un seguimiento efectivo de la trayectoria. Ambos artículos presentan el uso de herramientas de simulación avanzadas como Simscape Multibody que presentan una mayor fidelidad con la realidad. Este tipo de modelado presenta la problemática de la caracterización de parámetros, la cual se resuelve utilizando técnicas que emplean datos de experimentación reales, como se describe en el primer artículo.

El tercer artículo presenta una metodología de síntesis de control para robots móviles con configuración diferencial bajo retrasos temporales variables y restricciones de saturación de entrada. Se propone un método de control basado en funciones no lineales estáticas suaves, demostrando convergencia garantizada hacia una posición objetivo con una tasa de decaimiento exponencial. En este artículo empleamos el simulador de Simscape del primer artículo para la simulación realista junto a las técnicas de estimación no uniforme del segundo artículo para la experimentación.

El cuarto artículo introduce una estructura de control eficiente en el uso de recursos para el control remoto de seguimiento de trayectorias de vehículos autónomos basada en una combinación integral de filtrado de Kalman, muestreo de bifrecuencia no uniforme, comunicación activada por eventos periódicos y técnicas de control basadas en predicciones de h-pasos adelante, junto a una simulación que permite retardos y pérdidas de paquetes simulando una red inalámbrica. Este enfoque, validado mediante simulación y experimentación en una plataforma robótica holonómica de ruedas omnidireccionales, que ha sido mejorada a partir de la desarrollada en el artículo 2, demuestra una reducción significativa en el uso de recursos computacionales en la parte local en comparación con soluciones de control convencionales junto a un seguimiento de trayectoria satisfactorio. Adicionalmente, destacar que la estabilidad de media cuadrática es asegurada para el NUDREKF.

En conjunto, estos artículos contribuyen al diseño eficiente de sistemas de control en red aplicados a UxVs, superando desafíos como retrasos temporales, variabilidad en las frecuencias de muestreo y limitaciones de recursos, y demostrando su efectividad a través de simulaciones realistas y experimentos prácticos.; [CA] La tesi doctoral es centra en el disseny eficient de Sistemes de Control en Xarxa (NCS) aplicats a Vehicles Autònoms No Tripulats (UxVs), emprant tècniques de mostreig no convencional i control basat en esdeveniments. La investigació aborda desafiaments inherents als NCS, com el desorde i la pèrdua de dades en la comunicació, limitacions en l'amplada de banda de la xarxa, recursos computacionals i energètics limitats, així com retards temporals variables.

Es presenten quatre articles que contribuïxen al tema. El primer i el segon proposen un control de seguiment de trajectòria Pure Pursuit per a un vehicle terrestre no tripulat (UGV) de tracció en dos rodes i a quatre rodes omnidireccionals, respectivament, abordant la discrepància en les taxes de mostreig uniforme i no uniforme, respectivament. L'ús d'un filtre de Kalman estés bifreqüència (DREKF) i no uniforme (NUDREKF), respectivament, permet estimar els mesuraments no disponibles a freqüència ràpida i dissenyar un controlador dinàmic eficient amb la mostres compensades pel filtre, aconseguint fer un seguiment efectiu de la trajectòria. Tots dos articles presenten l'ús de ferramentes de simulació avançades com Simscape Multibody que presenten una major fidelitat amb la realitat. Este tipus de modelatge presenta la problemàtica de la caracterització de paràmetres, la qual es resol utilitzant tècniques que empren dades d'experimentació reals, com es descriu en el primer article.

El tercer article presenta una metodologia de síntesi de control per a robots mòbils amb configuració diferencial sota retards temporals variables i restriccions de saturació d'entrada. Es proposa un mètode de control basat en funcions no lineals estàtiques suaus, demostrant convergència garantida cap a una posició objectiu amb una taxa de decaïment exponencial. En este article emprem el simulador de Simscape Multibody del primer article per a la simulació realista junt a les tècniques d'estimació no uniforme del segon article per a l'experimentació.

El quart article introduïx una estructura de control eficient en l'ús de recursos per al control remot de seguiment de trajectòries de vehicles autònoms basada en una combinació integral de filtrat de Kalman, mostreig de bifreqüència no uniforme, comunicació activada per esdeveniments periòdics i tècniques de control basades en prediccions d'h-passos avant, al costat d'una simulació que permet retards i pèrdues de paquets simulant una xarxa sense fil. Este enfocament, validat mitjançant simulació i experimentació en una plataforma robòtica holonómica de rodes omnidireccionals, que ha sigut millorada a partir de la desenvolupada en l'article 2, demostra una reducció significativa en l'ús de recursos computacionals en la part local en comparació amb solucions de control convencionals al costat d'un seguiment de trajectòria satisfactori. Addicionalment, cal destacar que l'estabilitat mitjana quadràtica és assegurada per al NUDREKF.

En conjunt, estos articles contribuïxen al disseny eficient de sistemes de control en xarxa aplicats a UxVs, superant desafiaments com a retards temporals, variabilitat en les freqüències de mostreig i limitacions de recursos, i demostrant la seua efectivitat a través de simulacions realistes i experiments pràctics.; [EN] The doctoral thesis focuses on the efficient design of Networked Control Systems (NCS) applied to Unmanned Autonomous Vehicles (UxVs), employing non-conventional sampling techniques and event-based control. The research addresses inherent challenges in NCS, such as packet disorder and data loss in communication, network bandwidth limitations, limited computational and energy resources, as well as variable time delays.

Four articles are presented, contributing to the topic. The first and second articles propose a Pure Pursuit trajectory tracking control for a two-wheel drive Unmanned Ground Vehicle (UGV) and a four-wheel omnidirectional vehicle, respectively, addressing the discrepancy in uniform and non-uniform sampling rates, respectively. The use of uniform Dual-Rate Extended Kalman Filter (DREKF) and non-uniform Dual-Rate Extended Kalman Filter (NUDREKF) enables estimation of high-rate unavailable measurements and design of efficient dynamic controllers with filter-compensated samples, achieving effective trajectory tracking. Both articles employ advanced simulation tools such as Simscape Multibody, which provide higher fidelity to reality. This type of modeling addresses the problem of parameter characterization, which is resolved using techniques employing real-world experimental data, as described in the first article.

{The third article presents a control synthesis methodology for mobile robots with differential configuration under variable time delays and input saturation constraints. A control method based on smooth static nonlinear functions is proposed, demonstrating guaranteed convergence to a target position with an exponential decay rate. In this article, we use the Simscape Multibody simulator for realistic simulation as in the first article, along with the non-uniform estimation techniques from the second article for experimentation.

The fourth article introduces a resource-efficient control structure for remote trajectory tracking control of autonomous vehicles, based on a comprehensive combination of Kalman filtering, non-uniform dual-rate sampling, periodic event-triggered communication, and h-steps ahead prediction-based control techniques, alongside a simulation that incorporates delays and packet losses to simulate a wireless network. This approach, validated through simulation and experimentation on a holonomic omnidirectional-wheeled robotic platform modeled in the second article, demonstrates significant reduction in computational resource usage on the local side compared to conventional control solutions, along with satisfactory trajectory tracking. Additionally, it is worth highlighting that the stability of the NUDREKF is guaranteed through stability conditions.

Together, these articles contribute to the efficient design of NCS applied to UxVs, overcoming challenges such as time delays, variability in sampling rates, and resource limitations, and demonstrating their effectiveness through realistic simulations and practical experiments.
Tesis por compendio