The increased use of Unmanned Ground Vehicles affects how Integrated Logistics Support is performed due to the removal of onboard operators. This thesis aims to identify key differences between how Integrated Logistics Support is performed on Manned and Unmanned Ground Vehicles. Thereby providing the industry with the requested basis for necessary changes in Integrated Logistics Support for future systems. By conducting semi-structured interviews, six experts provided knowledge of inherent differences between Manned and Unmanned Ground Vehicles. The interview data was used to develop Maintenance Concepts for Manned and Unmanned Ground Vehicles. By comparing these maintenance concepts, differences were identified mainly in the form of maintenance and support operations due to the disappearance of the onboard operator. Multiple questions were also raised by the experts, asking when unmanned ground vehicles should be considered consumable, how redundant they should be, where the boundaries of cyber lie within the system, and to what degree they are autonomous. This work signifies the importance of continued research on the topic of Integrated Logistics Support in regard to future unmanned systems. / Den ökade användningen av Obemannade Markfordon (UGV) påverkar hur Integrerat Logistikstöd (ILS) utförs på grund av att ombordoperatörer tas bort. Denna uppsats syftar till att identifiera viktiga skillnader mellan hur Integrerat Logistikstöd utförs på Bemannade och Obemannade Markfordon. Därigenom ges branschen den efterfrågade grunden för nödvändiga förändringar inom Integrerat Logistikstöd för framtida system. Genom att genomföra semistrukturerade intervjuer bidrog sex experter med kunskap om grundläggande skillnader mellan Bemannade och Obemannade Markfordon. Intervjudatan användes för att utveckla underhållskoncept för Bemannade och Obemannade Markfordon. Genom att jämföra dessa underhållskoncept identifierades skillnader främst i form av underhålls- och stödoperationer på grund av att ombordoperatören försvinner. Experterna väckte också flera frågor om när Obemannade Markfordon ska betraktas som förbrukningsvaror, hur redundanta de ska vara, var gränserna för cyber ligger inom systemet och i vilken grad de är autonoma. Detta arbete understryker vikten av fortsatt forskning inom Integrerat Logistikstöd vad gäller framtida obemannade system.

Real-Time Rollover prevention of Unmanned Ground Vehicle (UGV) is very paramount to its reliability and survivability mostly when operating on unknown and rough terrains like mines or other planets.Therefore this research presents the method of real-time rollover prevention of UGVs making use of Adaptive control techniques based on Recursive least Squares (RLS) estimation of unknown parameters, in order to enable the UGVs to adapt to unknown hush terrains thereby increasing their reliability and survivability. The adaptation is achieved by using indirect adaptive control technique where the controller parameters are computed in real time based on the online estimation of the plant’s (UGV) parameters (Rollover index and Roll Angle) and desired UGV’s performance in order to appropriately adjust the UGV speed and suspension actuators to counter-act the vehicle rollover. A great challenge of indirect adaptive control system is online parameter identification, where in this case the RLS based estimator is used to estimate the vehicles rollover index and Roll Angle from lateral acceleration measurements and height of the centre of gravity of the UGV. RLS is suitable for online parameter identification due to its nature of updating parameter estimate at each sample time. The performance of the adaptive control algorithms and techniques is evaluated using Matlab Simulink® system model with the UGV Model built using SimMechanics physical modelling platform and the whole system runs within Simulink environment to emulate real world application. The simulation results of the proposed adaptive control algorithm based on RLS estimation, show that the adaptive control algorithm does prevent or minimize the likely hood of vehicle rollover in real time. / Electrical and Mining Engineering / M. Tech. (Electrical Engineering)

This thesis presents a human interface which helps users efficiently allocate multiple unmanned ground vehicles (UGVs) cooperating to accomplish timing-sensitive missions in an urban environment. The urban environment consists of obstacles and a hazardous region. The obstacles represent a "no-go zone" while the hazardous region represents a high-risk area. The main object of this problem is to minimize the team operational cost while satisfying timing constraints. Operational costs for individual vehicles are based on risk and power consumption, and are calculated using path length and vehicle velocity. In this thesis, three types of timing constraints are considered: simultaneous arrival, tight sequential arrival, and loose sequential arrival. Coordination variables and functions are the strategy by which both temporal and spatial information is used to achieve cooperative timing at a minimum cost. Specifically, coordination variables and functions are used to plan trajectories for a team of UGVs that satisfy timing constraints. The importance of properly representing information to users, allowing them to make efficient decisions, is also discussed. Four different control interfaces (temporal, spatial, cost, and coordination variable/function control) were tested. A full factorial design of experiments was performed with response time, workload, and quality of decision as metrics used to evaluate the quality and effectiveness of each interface. Based on the results of this experiment, a final graphical user interface (GUI) was designed and is described. It incorporates a combination of coordination variable/function control and cost control. This GUI is capable of planning paths for vehicles based on cooperative timing constraints and enables users to make high quality decisions in deploying a group of vehicles.

Unmanned vehicle systems, specifically unmanned air vehicles (UAVs) and unmanned ground vehicles (UGVs), have become a popular research topic. This thesis discusses the potential of a UAV-UGV system used to track a human moving through complex urban terrain. This research focuses on path planning problems for both a UAV and a UGV, and presents effective solutions for both problems. In the UAV path planning problem, we desire to plan a path for a miniature fixed-wing UAV to fly through known urban terrain without colliding with any buildings. We present the Waypoint RRT (WRRT) algorithm, which accounts for UAV dynamics while planning a flyable, collision-free waypoint path for a UAV in urban terrain. Results show that this method is fast and robust, and is able to plan paths in difficult urban environments and other terrain maps as well. Simulation and hardware tests demonstrate that these paths are indeed flyable by a UAV. The UGV path planning problem focuses on planning a path to capture a moving target in an urban grid. We discuss using a target motion model based on Markov chains to predict future target locations. We then introduce the Capture and Propagate algorithm, which uses this target motion model to determine the probabilities of capturing the target in various numbers of steps and with various initial UGV moves. By applying some different cost functions, the result of this algorithm is used to choose an optimal first step for the UGV. Results demonstrate that this algorithm is at least as effective as planning a path directly to the current location of the target, and that in many cases, this algorithm performs better. We discuss these cases and verify them with simulation results.

Den snabba utvecklingen av autonomi och fjärrstyrning för obemannade enheter har lett till ett behov inom militären att utforska samspelet mellan användare och olika obemannade enheter, för att kartlägga behov för framtida gränssnitt. Det finns ett tydligt behov av alternativa gränssnitt till de handhållna styrdon som används i dagsläget, då dessa har visat sig ha begränsningar gällande situationsmedvetenhet och kognitiv förmåga hos operatören - något som är särskilt viktigt i högrisksituationer. Det finns vidare belägg för att ett armburet styrdon har potential att möta dessa behov hos framtida gränssnitt. Denna studie undersöker därför möjliga utformningar för ett armburet gränssnitt, och utreder hur väl konceptuella utformningar passar det specifika användningsområdet avsutten spaning i högrisksituation för markförband. Genomgående är fokus att genom en iterativt och användarcentrerad studie kartlägga och precisera behov samt generera konceptuella prototyper utifrån detta. Inledningsvis görs en litteraturstudie, vars resultat sammanställs i ett antal designprinciper för utformning av gränssnitt för obemannade fordon inom militära sammanhang. Principerna används vidare i idé- och konceptgenereringen samt vid framtagandet av lofi-prototyper. Lofi-prototyperna som visualiserar olika koncept för armburna gränssnitt utvärderas därefter i ett användartest med fokusdiskussioner. Detta är den första av två iterationer i användarstudien. Vidare utvecklas ett slutgiltigt helhetskoncept, vilket utvärderas i det andra användartestet. Fokus i studien har vid det här laget riktat in sig specifikt mot användningsområdet avsutten spaning i högrisksituationer för markförband, och utvärderar genom storytelling hur väl ett armburet gränssnitt passar användningsområdet. Resultaten från det första användartestet visar att ett armburet gränssnitt bör utformas som ett komplement till ett huvudstyrdon, samt att det är viktigt att det utformas utifrån soldatnas utrustning och miljö genom att vara litet, lätt och tåligt. Vidare visar resultatet att gränssnittet bör fokusera på mottagandet av information framför att skicka information, och att det bör utformas i syfte att ge användaren snabba, kortfattade notiser om viktig information som enkelt läses av på armen utan att soldaten behöver avbryta sina arbetsuppgifter eller lägga ned sitt vapen. Fysiska knappar, ljusdisciplin samt vibrationer som återkoppling är andra aspekter som resultatet visar är intressanta att undersöka vidare. Resultatet från första iterationen används för att utveckla ett slutgiltigt slutkoncept till det andra användartestet, vilken gestaltas i en prototyp i lera som visualiserar storleken på gränssnittet, likt en smartklocka, och ett antal fysiska knappar. Genom storytelling där deltagarna får ha på sig prototypen på armen och leva sig in i ett realistiskt scenario utvärderas hur väl denna typ av gränssnitt passar användaren och användningsområdet. Resultatet från det andra användartestet visar att ett litet, smidigt gränssnitt på armen som ger snabb, kortfattad information är fördelaktigt i högrisksituationer och spaningssituationer där man behöver gömma sig eller agera dolt. Gränssnittet behöver därmed inte kunna ge detaljerad information och ha avancerad interaktion, utan bör istället fungera i syfte att på ett tyst och snabbt sätt ge en varning genom exempelvis en vibration eller en symbol på skärmen. Således kan användaren få snabba, direkta alert-notiser som signalerar nivån av fara – vilket är efterfrågat i just högrisksituationer – innan man genom exempelvis radiokommunikation kan få mer detaljerad information om faran. Ett annat viktigt resultat från användarstudien är att gränssnittet inte enbart bör fokusera på information från och interaktion med obemannade enheter, utan även interaktion med människor. Det kan exempelvis vara genom att få information från en plutonchef, och kunna bekräfta mottagandet av informationen och eventuellt även kunna svara med korta, förutbestämda textmeddelanden. Detta tillsammans med resultatet om att gränssnittet bör fokusera på mottagande av information gör att studiens fokus ändras från det initiala: interaktion med obemannade enheter, till att istället fokusera på mottagande av information från andra soldater, chefer samt obemannade system. Slutsatser som dras är att gränssnittet bör vara utformat som ett litet, smidigt kompletterande gränssnitt på armen, som ger användaren snabba, direkta notiser med kortfattad information som exempelvis signalerar fara, för att det ska passa användningsområdet. Vidare dras slutsatsen att mängden funktioner som är autonoma i systemet påverkar både utformningen och situationsmedvetenhet, och att detta är ett komplext och till viss del motsägande område att undersöka vidare. Framtida studier anses således kunna beröra områden såsom hur mycket autonomi som är eftersträvansvärt samt hur haptisk återkoppling kan användas i högrisksituationer. / The rapid development of autonomy and remote control within unmanned vehicles has led to a need within the military to explore the interaction between users and various unmanned units, in order to map needs for future interfaces. There is a need for alternative interfaces to the hand-held control devices that are used today, as these have been shown to have limitations regarding situation awareness and cognitive workload of the operator – something that is particularly important in high-risk situations. There is further evidence that an arm mounted controller has the potential to meet these needs of future interfaces. This study therefore examines possible designs for an arm mounted interface and investigates how well conceptual designs fit the specific area of use; high-risk dismounted reconnaissance for ground units. Throughout, the focus is to map and specify needs through an iterative and user centered study and generate conceptual prototypes based on this. Initially, a literature study is carried out, the results of which are compiled into several design principles for the design of interfaces for unmanned vehicles in military contexts. The design principles are further used in idea and concept generation as well as in the development of lofi prototypes. The lofi prototypes that visualize different concepts for an arm mounted interface are then evaluated in a user test with focus discussions. This is the first of two iterations of the user study. Furthermore, a final overall concept is developed, which is evaluated in the second user test. At this point, the focus of the study has been directed specifically at the area of use for scouting in high risk situations for ground units and evaluates through storytelling how well an arm mounted interface fits the area of use. The results from the first user test show above all that an arm mounted interface should be designed as a complement to a main control unit, and that it is important that it is designed based on the soldiers' equipment and environment by being small, light and durable. Furthermore, the results show that the interface should focus on receiving rather than sending information, and that it should be designed to provide the user with quick, concise notices of important information that are easily read on the arm without the soldier having to interrupt his duties or put down his weapon. Physical buttons, light discipline and vibrations as feedback are other aspects that the results show is interesting to investigate further. The result from this first iteration is used to develop a final concept for the second user test, which is embodied in a prototype in clay that visualizes the size of the interface, like a smart watch, and several physical buttons. Through storytelling where the participants get to wear the prototype on their arm and experience a realistic scenario, it is evaluated how well this type of interface suits the user and the area of use. The results from the second user test show that a small, flexible interface on the arm that provides quick, concise information is beneficial in high-risk situations and reconnaissance situations where you need to hide or act covertly. The interface therefore does not need to be able to provide detailed information and have advanced interaction but should instead function with the aim of quietly and quickly giving a warning through, for example, a vibration or a symbol on the screen. Thus, the user can receive quick, direct alert notices that signal the level of danger – which is in demand in high-risk situations in particular – before, for example, radio communication can provide more detailed information about the danger. Another important result of the user study is that the interface should not only focus on information from and interaction with unmanned devices, but also interaction with people. This can be, for example, by receiving information from the command group or a platoon leader and being able to confirm receipt of the information and possibly also be able to respond with short, predetermined text messages. This together with the result that the interface should focus on receiving information causes the focus of the study to change from the initial: interaction with unmanned units, to instead focus on receiving information from other soldiers, managers, and unmanned systems. Conclusions drawn are that the interface should be designed as a small, flexible supplementary interface on the arm, which provides the user with quick, direct notifications with concise information such as signaling danger, in order for it to fit the area of use. Furthermore, it is concluded that the number of functions that are autonomous in the system affects both the design and situational awareness, and that this is a complex and somewhat contradictory area to investigate further. Future studies are thus considered to be able to touch on areas such as how much autonomy is desirable and how haptic feedback can be used in high-risk situations.

Die Kartierung und Lokalisierung eines mobilen Roboters in seiner Umgebung ist eine wichtige Voraussetzung für dessen Autonomie. In dieser Arbeit wird der Einsatz eines 3D-Laserscanners zur Erfüllung dieser Aufgaben untersucht. Durch die optimierte Anordnung eines rotierenden 2D-Laserscanners werden hochauflösende Bereiche vorgegeben. Zudem wird mit Hilfe von ICP die Kartierung und Lokalisierung im Stillstand durchgeführt. Bei der Betrachtung zur Verbesserung der Bewegungsschätzung wird auch eine Möglichkeit zur Lokalisierung während der Bewegung mit 3D-Scans vorgestellt. Die vorgestellten Algorithmen werden durch Experimente mit realer Hardware evaluiert.

Die Kartierung und Lokalisierung eines mobilen Roboters in seiner Umgebung ist eine wichtige Voraussetzung für dessen Autonomie. In dieser Arbeit wird der Einsatz eines 3D-Laserscanners zur Erfüllung dieser Aufgaben untersucht. Durch die optimierte Anordnung eines rotierenden 2D-Laserscanners werden hochauflösende Bereiche vorgegeben. Zudem wird mit Hilfe von ICP die Kartierung und Lokalisierung im Stillstand durchgeführt. Bei der Betrachtung zur Verbesserung der Bewegungsschätzung wird auch eine Möglichkeit zur Lokalisierung während der Bewegung mit 3D-Scans vorgestellt. Die vorgestellten Algorithmen werden durch Experimente mit realer Hardware evaluiert.

Tesis por compendio / [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. / This PhD research was part of the R+D+i Project, Grant RTI2018-096590-B- I00 (Research, Development and Innovation projects - "Research Challengues"), funded by MCIN/AEI/ 10.13039/501100011033 (Ministry of Science, Innova- tion and Universities - Spanish government) and by Europe "ERDF A way of making Europe". And grant for predoctoral contracts for the training of doc- tors, Grant PRE2019-088467 funded by MCIN/AEI/10.13039 /501100011033 and by Europe "ESF Investing in your future". / Carbonell Lázaro, R. (2024). Efficient Design of Wireless Networked Control Systems Applied to UxVs using Non-Conventional Sampling and Event-Based Control Techniques [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/213211 / Compendio