Aerial Robotics

Curso sobre robótica aérea, dictado por el profesor Vijay Kumar de la Universidad de Pensilvania

Con un enfoque en pequeños y ágiles vehículos aéreos, capaces de funcionar de forma autónoma en entornos interiores y exteriores desordenados, el profesor Vijay Kumar de la Universidad de Pensilvania hace una impresionante introducción a la mecánica de vuelo y el diseño de robots voladores de cuatro rotores y al desarrollo de modelos dinámicos, controladores, y síntesis de planes de vuelo para operar en entornos tridimensionales.

Robotica Aerea Durante el curso se exponen detalladamente los retos que plantea la utilización de sensores para la localización y maniobra en entornos complejos, tridimensionales.

El curso se completa con ejemplos del mundo real de aplicaciones y desafíos que enfrenta la creciente industria de aviones no tripulados.

Programa del curso Aerial Robotics:

Primera semana: Introducción a la robótica aérea

Durante la primera semana del curso, los estudiantes son introducidos al mundo de los Vehículos Aereos No Tripulados (UAVs , del inglés Unmanned Aerial Robots), y en particular a los cuadricópteros. Se presenta su mecánica básica y estrategias de control, los puntos claves del vuelo autónomo y las técnicas de estimación de estados del vehículo ( velocidad, posición , orientación, etc. ). EL Dr. Vijay Kumar expone los prometedores campos de aplicación, industrias y actividades.

Luego de estas introducciones, el curso ya empieza a profundizar en la mecánica básica , la energética y los principios dinámicos que gobiernan el comportamiento del multicóptero, utilizando primero un modelo de control lineal en una sola dimensión, para comenzar ilustrando la dinámica del vehículo en forma simplificada y pasar entonces a enumerar algunas consideraciones de diseño importantes y definir con precisión los conceptos de agilidad y maniobrabilidad.

La semana concluye con el análisis para la cuidadosa selección de componentes del UAV, teniendo en cuenta compromiso entre peso y el consumo de energía versus sus funciones y prestaciones, así como los factores que determinan la influencia y los efectos del tamaño del vehículo y su impacto en el consumo, la agilidad, la maniobrabilidad y sus velocidades máximas de traslación y rotación.

Segunda semana: Geometría y mecánica del UAV

La segunda semana comienza haciendo foco en la cinemática de los cuadricóperos. Los estudiantes aprenden cómo derivar las ecuaciones dinámicas del movimiento del cuatrirotor , las ecuaciones de Newton-Euler , ejes principales , momentos de inercia principales y formulaciones de estado-espacio . Para lograr un mejor entendimiento de los conceptos involucrados , que incluyen el cálculo de transformaciones, rotaciones, ángulos de Euler, representación de las rotaciones mediante eje y ángulo, velocidades angulares, etc , se discuten algunas herramientas matemáticas en el material suplementario: desplazamiento de los cuerpos rígidos, propiedades de las funciones, eigenvalues (valores propios) y eigenvectors (vectores propios) de una matriz, quaterniones, matriz derivada, etc. En esta semana los estudiantes realizan su primer tarea: la programación de un control lineal para un cuadricóptero que sólo se mueve en una dimensión ( la vertical), estableciendo en forma controlada su altura, para lo cual se introduce tambien el uso de MATLAB. Los alumnos cuentan para ello con una licencia gratuita de uso no comercial de MATLAB durante el curso.

Tercera Semana: Plan de vuelo y control

Durante la tercera semana se encara el desarrollo de controladores lineales, primero un controlador en 2D para el modelo dinámico planar para pasar entonces al controlador en 3D para el modelo dinámico tridimensional. Este conocimiento le permite a los estudiantes completar la segunda tarea de programación con MATLAB, que se enfoca en el control de un cuadricóptero en dos dimensiones

También durante la tercera semana se introduce la planificación del movimiento para cuadricópteros, considerándose la relación entre el tiempo, el movimiento y las trayectorias para el estudio de seguimiento de trayectorias con fluidez a velocidad mínima, mínima aceleración, mínimo jerk y mínimo snap. En estos puntos reside la magia de esos increíbles y fluídos movimientos que vemos en los videos.

Semana 4: Tópicos avanzados

Habiendo ya pasado por lo básico del desarrollo de controladores lineales para cuadricópteros y del delineado del plan de vuelo, en la cuarta semana se discuten tópicos más avanzados sobre cómo hacer que los cuadricópteros puedan realizar maniobras más ágiles e incluso operar en forma autónoma en equipo . Estos tópicos incluyen la estimación del entorno "on board" (usando sólo sensores a bordo, sin depender de sensores externos al UAV), control no lineal y control de múltiples robots formando un enjambre.

Por otra parte , la última tarea de programación del curso que se debe entregar en esta semana, es un controlador completo en 3D que integra material de las semanas anteriores, incluyendo la generación de una trayectoria fluída que une varios puntos.

Staff docente del curso de Robótica Aérea

Decano de la cátedra Nemirovsky of Penn Engineering y Profesor de Ingeniería Mecánica and Mecánica Aplicada de la Escuela de Ingeniería y Ciencia Aplicada de la Universidad de Pensilvania

Vijay estudia los comportamientos colectivos en los sistemas biológicos y robóticos. Él y su grupo de trabajo diseña arquitecturas novedosas, crea abstracciones para sistemas de individuos que interactúan, y desarrolla nuevos algoritmos para robots cooperantes. Los temas principales de su investigación incluyen la creación de modelos de la naturaleza y el desarrollo de arquitecturas y algoritmos inspirados en la biología, la comprensión de la dinámica individuo-grupo , y el diseño y composición de controladores para sistemas autónomos robustos y escalables. Los desafíos clave del Dr. Vijay incluyen la operación en entornos no estructurados, dinámicos , la integración de control, comunicación y percepción, y la reducción de tamaños en dispositivos con recursos computacionales, de accionamiento y de sensado .

Más información sobre el curso en la página de Aerial Robotics en Coursera.com