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The miniature tailsitter is a unique aircraft with inherent advantages over typical unmanned aerial vehicles. With the capabilities of both hover and level flight, these small, portable systems can produce efficient maneuvers for enhanced surveillance and autonomy with little threat to surroundings and the system itself. Such vehicles are accompanied with control challenges due to the two different flight regimes. Problems with the conventional attitude representation arise in estimation and control as the system departs from level flight conditions. Furthermore, changing dynamics and limitations in modeling and sensing give rise to significant attitude control design challenges. Restrictions in computation also result from the limited size and weight capacity of the miniature airframe. In this research, the inherent control challenges discussed above are addressed with a computationally efficient adaptive quaternion control algorithm. A backstepping method for model cancellation and consistent tracking of reference model attitude dynamics is derived. This is used in conjunction with two different algorithms designed for the identification of system parameters. For a metric of baseline performance, gain-scheduled quaternion feedback control is developed. With a regularized data-weighting recursive least-squares parameter estimation algorithm, the adaptive quaternion controller is shown to be better than the baseline method in simulation and hardware results. This method is also shown to produce universal performance for all aircraft with the three conventional control surface actuators (aileron, elevator, and rudder) barring saturation and assuming accurate system identification. Testing of attitude control algorithms requires development in quaternion-based navigational control and attitude estimation. A novel technique for hover north/east position control is derived. Also, altitude tracking in hover, given an inconsistent thrust system, is addressed with an original method of on-line throttle system identification. Means for quaternion-based level flight control are produced from adaptations made to existing techniques employed in the Brigham Young University Multi-Agent Coordination and Control Lab. Also generated are simple trajectories for transitions between flight modes. A method for the estimation of quaternion attitude is developed, which uses multiple sensors combined in a filtering technique similar to the fixed-gain Kalman filter. Simulation and hardware results of these methods are presented for concept validation. A discussion of the development and production of these testing means (a simulation environment and hardware flight test system) is provided. In culmination, a fully autonomous miniature tailsitter system is produced with results demonstrating its various capabilities.

In der vorliegenden Arbeit werden die im Zusammenhang mit der Strahlablenkung stehenden Systemaspekte der auf MEMS-Scanner basierenden Laser-Display-Technologie theoretisch analysiert und aus den Ergebnissen die praktische Implementierung eines Laser-Display-Systems als Testplattform vorgenommen. Dabei werden mit einem Ansatz auf Basis zweier 1D-Scanner und einem weiteren Ansatz mit einem 2D-Scanner zwei Varianten realisiert. Darüber hinaus erfolgt die Entwicklung eines bildbasierten Multiparametertestverfahrens, welches sowohl für den Test komplettierter Strahlablenkeinheiten bzw. Projektionsmodule als auch zum umfassenden und zeiteffizienten Test von MEMS-Scannern auf Wafer-Level geeignet ist. Mit diesem Verfahren erfolgt eine Charakterisierung der zwei realisierten Varianten des Laser-Displays. Ausgehend von den Eigenschaften des menschlichen visuellen Systems und den daraus resultierenden Anforderungen an das Bild sowie einer systemtheoretischen Betrachtung des mechanischen Verhaltens von MEMS-Scannern bildet die Ansteuersignalerzeugung für den resonanten Betrieb der schnellen und den quasistatischen Betrieb der langsamen Achse einen Schwerpunkt. Neben dem reinen digitalen Regler- bzw. Filterentwurf sowie mehreren Linearisierungsmaßnahmen beinhaltet dieser auch die Herleitung einer FPGA-basierten Videosignalverarbeitung zur Konvertierung von Scannpattern, Zeitregime und Auflösung mit einer entsprechenden Synchronisierung von Strahlablenkung und Lasermodulation. Auf Grundlage der daraus resultierenden Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen Scanner-/Systemparametern und Bildparametern werden Testbild-Bildverarbeitungsalgorithmus-Kombinationen entwickelt und diese, angeordnet in einer Sequenz, mit einem Kalibrierverfahren zu einem Testverfahren für MEMS-Scanner vervollständigt. Die Ergebnisse dieser Arbeit entstanden im Rahmen von industriell beauftragten F&E-Projekten und fließen in die andauernde Fortführung des Themas beim Auftraggeber ein.

La thèse propose l’utilisation d’une pince active instrumentée en force pour automatiser l’assemblage des MOEMS 3D hybrides. Chacun des doigts de la pince instrumentée est composé d’un actionneur piézo-électrique et d’un capteur de force piézorésistif intégré. Le capteur de force intégré présente des performances innovantes par rapport aux capteurs existants dans l’ état de l’art. Cette pince offre la possibilité de mesurer les forces de serrage appliquées par la pince pour saisir un micro composant et d’estimer les forces de contact entre le micro composant et le substrat de micro-assemblage.Un modèle dynamique et non linéaire est développé pour la pince instrumentée. Une commande hybride force/position est utilisée pour automatiser le micro-assemblage. Dans cette commande, certains axes sont commandés en position et les autres sont commandés en force. Pour les axes commandés en force, une nouvelle commande fondée sur une commande en impédance avec suivi de référence est proposée selon un principe de commande non linéaire par mode glissant avec estimation des paramétres en lignes. En utilisant le schéma de commande hybride force/position proposé, une automatisation de toutes les tâches de micro-assemblage est réalisée avec succès, notamment sur un composant flexible à guider dans un rail. / This work proposes the use of an active microgripper with sensorized end-effectors for the automationof the microassembly of 3D hybrid MOEMS. Each of the two fingers of the microgripper is composedof a piezoelectric actuator with an integrated piezoresistive force sensor. The integrated force sensorpresents innovative performances compared to the existing force sensors in literature. The forcesensors provide the ability to measure the gripping forces applied by the microgripper to grasp a microcomponentand estimated the contact forces between the microcomponent and the substrate ofmicroassembly. A dynamic nonlinear model of the microgripper is developed. A hybrid force/positioncontrol is used for the automation of the microassembly. In the hybrid force/position control formulation,some axes are controlled in position and others are controlled in force. For the force controlledaxes, a new nonlinear force control scheme based on force tracking sliding mode impedance controlis proposed with parameter estimation. Using the proposed hybrid force/position control scheme, fullautomation of the microassembly is performed, notably for the guiding of a flexible component in arail.

Haptic feedback is a growing phenomenon that incorporates the sense of touch through tactile sensations such as vibrations, electrical signals, air pressure, and sound waves or through force feedback, which employs torques and/or forces to replicate the pressure and weight of a simulated object. Utilizing haptic technology establishes a communication bridge between the user and the technical component, enhancing the user's understanding of the technical component's surroundings. This thesis focuses on designing a force feedback haptic device with an impedance control strategy, enabling the imposition of dynamic behavior during simulated robot interactions. Impedance control is a commonly employed approach in haptic devices, utilizing a mass-spring-damper model to vary stiffness, damping, and inertia levels, thereby simulating realistic forces and torques in master-slave interactions.  Initially, a haptic device resembling the shape of a Delta robot was designed using Solidworks, with size and weight distribution serving as the primary design considerations. Subsequently, the device was further represented using a generic robot description format, incorporating the design's joints and links. This representation was then paired with kinematic connections delineating the robot's motion and dynamic matrices to simulate the robot's movement. Alongside the integration of an impedance control strategy, simulations were conducted to emulate robot interactions. These simulations tested the system under various conditions, including scenarios with and without introduced torque disturbances. Including torque disturbances was intended to enhance the simulation's realism and assess the impact of impedance control parameter choices on the system's behavior. In summary, the research concludes how a closed-chain robot, the Delta robot, can be modeled as a haptic device with an impedance control strategy, offering valuable guidance for future research. / Haptisk återkoppling är ett växande fenomen som integreras i allt fler användningsområden. Genom att återskapa känslan av att röra vid eller interagera med föremål, antingen genom att simulera taktila sensationer som vibrationer, elektriska signaler, lufttryck och ljudvågor eller genom att återge kraftåterkoppling till användaren, kan användarens förståelse för tekniska komponenter och deras omgivning öka. Kraftåterkoppling möjliggör imitation av tryck och vikt hos simulaterade objekt, vilket förbättrar realismen i användarupplevelsen. Detta examensarbete har inriktat sig på att designa en haptisk pryl med kraftåterkoppling och en styrmekanism baserad på impedanskontroll. Genom att implementera impedanskontroll kan dynamiska beteenden inkorporeras i systemet genom varierande styrka, dämpning och tröghet. Dessa impedansparametrar möjliggör realistiska simuleringar av kraft och vridmoment i samband med virtuella robotinteraktioner. Först utformades en haptisk pryl som efterliknar formen av en Delta-robot med hjälp av CAD-programmet Solidworks. Här var storlek och viktfördelning primära överväganden i designprocessen. Därefter representerades enheten genom en generisk robotbeskrivning som inkluderade dess leder och länkar. Denna representation kopplades sedan ihop med kinematiska samband som reglerade enhetens rörelse. Tillsammans med integreringen av impedanskontrollstrategin genomfördes simuleringar som efterliknade robotinteraktioner. Dessa simuleringar omfattade olika scenarier, inklusive de med vridmomentsstörningar och de utan. Syftet med att inkludera vridmomentsstörningar var att öka realismen i simuleringen och utvärdera påverkan av valda parametrar för impedanskontrollen på systemets beteende. Sammanfattningsvis har detta arbete resulterat i utformningen av en haptisk pryl med kraftåterkoppling, som efterliknar en Delta-robot. Prylen har modellerats som en trädstruktur, med kinematiska samband som sammanfogar dess ändnoder. Det här arbetet har bidragit till kunskapen om hur realistiska haptiska interaktioner kan skapas och öppnat möjligheter för framtida forskning och utveckling inom detta område.

In der vorliegenden Arbeit werden die im Zusammenhang mit der Strahlablenkung stehenden Systemaspekte der auf MEMS-Scanner basierenden Laser-Display-Technologie theoretisch analysiert und aus den Ergebnissen die praktische Implementierung eines Laser-Display-Systems als Testplattform vorgenommen. Dabei werden mit einem Ansatz auf Basis zweier 1D-Scanner und einem weiteren Ansatz mit einem 2D-Scanner zwei Varianten realisiert. Darüber hinaus erfolgt die Entwicklung eines bildbasierten Multiparametertestverfahrens, welches sowohl für den Test komplettierter Strahlablenkeinheiten bzw. Projektionsmodule als auch zum umfassenden und zeiteffizienten Test von MEMS-Scannern auf Wafer-Level geeignet ist. Mit diesem Verfahren erfolgt eine Charakterisierung der zwei realisierten Varianten des Laser-Displays. Ausgehend von den Eigenschaften des menschlichen visuellen Systems und den daraus resultierenden Anforderungen an das Bild sowie einer systemtheoretischen Betrachtung des mechanischen Verhaltens von MEMS-Scannern bildet die Ansteuersignalerzeugung für den resonanten Betrieb der schnellen und den quasistatischen Betrieb der langsamen Achse einen Schwerpunkt. Neben dem reinen digitalen Regler- bzw. Filterentwurf sowie mehreren Linearisierungsmaßnahmen beinhaltet dieser auch die Herleitung einer FPGA-basierten Videosignalverarbeitung zur Konvertierung von Scannpattern, Zeitregime und Auflösung mit einer entsprechenden Synchronisierung von Strahlablenkung und Lasermodulation. Auf Grundlage der daraus resultierenden Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen Scanner-/Systemparametern und Bildparametern werden Testbild-Bildverarbeitungsalgorithmus-Kombinationen entwickelt und diese, angeordnet in einer Sequenz, mit einem Kalibrierverfahren zu einem Testverfahren für MEMS-Scanner vervollständigt. Die Ergebnisse dieser Arbeit entstanden im Rahmen von industriell beauftragten F&E-Projekten und fließen in die andauernde Fortführung des Themas beim Auftraggeber ein.

Je jasné, že nejúspěšnější konstrukce zahrnuje postup vícefázového řízení, ve kterém každá fáze může být považována za samostatný modul. Provoz kterékoliv z jednotek musí mít minimální vliv na ostatní, a to tak, že v případě selhání jedné jednotky ostatní mohou být v provozu neovlivněny. Modulární řešení vyžaduje minimální elektrické, magnetické a tepelné ovlivnění mezi fázemi řízení (měniče). Synchronní stroje s pulzním tokem a permanentními magnety se jeví jako atraktivní typ stroje, jejíž přednostmi jsou vysoký kroutící moment, jednoduchá a robustní konstrukce rotoru a skutečnost, že permanentní magnety i cívky jsou umístěny společně na statoru. FS-PMSM jsou poměrně nové typy střídavého stroje stator-permanentní magnet, které představují významné přednosti na rozdíl od konvenčních rotorů - velký kroutící moment, vysoký točivý moment, v podstatě sinusové zpětné EMF křivky, zároveň kompaktní a robustní konstrukce díky umístění magnetů a vinutí kotvy na statoru. Srovnání výsledků mezi FS-PMSM a klasickými motory na povrchu upevněnými PM (SPM) se stejnými parametry ukazuje, že FS-PMSM vykazuje větší vzduchové mezery hustoty toku, vyšší točivý moment na ztráty v mědi, ale také vyšší pulzaci díky reluktančnímu momentu. Pro stroje buzené permanentními magnety se jedná o tradiční rozpor mezi požadavkem na vysoký kroutící moment pod základní rychlostí (oblast konstantního momentu) a provozem nad základní rychlostí (oblast konstantního výkonu), zejména pro aplikace v hybridních vozidlech. Je předložena nová topologie synchronního stroje s permanentními magnety a spínaným tokem odolného proti poruchám, která je schopná provozu během vinutí naprázdno a zkratovaného vinutí i poruchách měniče. Schéma je založeno na dvojitě vinutém motoru napájeném ze dvou oddělených vektorově řízených napěťových zdrojů. Vinutí jsou uspořádána takovým způsobem, aby tvořila dvě nezávislé a oddělené sady. Simulace a experimentální výzkum zpřesní výkon během obou scénářů jak za normálního provozu, tak za poruch včetně zkratových závad a ukáží robustnost pohonu za těchto podmínek. Tato práce byla publikována v deseti konferenčních příspěvcích, dvou časopisech a knižní kapitole, kde byly představeny jak topologie pohonu a aplikovaná řídící schémata, tak analýzy jeho schopnosti odolávat poruchám.