Academic literature on the topic 'Systèmes mécaniques sous-actionnés'

L'étude des systèmes mécaniques sous-actionnés est inspirée principalement de la structure du corps humain, ils admettent des degrés de liberté plus nombreux que les actionneurs. Une première contribution de cette thèse est l'élaboration de lois de commande directement basées sur les équations non linéaires conduisant à la garantie d'un domaine d'attraction quantifiable, ce qui n'est pas possible en général par le biais de modèles linéarisés. La commande de tels systèmes, lorsqu'on veut la mettre en pratique, se trouve confrontée à la présence inévitable de perturbations et de frottements. La présence de frottements sur les parties non actionnées ne satisfait pas la condition de recouvrement. On proposera ici une commande à structure variable dite quasi-homogène, permettant de forcer à zéro une sortie fictive permettant de découpler le système par rapport aux entrées de commande tout en garantissant la stabilité de la dynamique des zéros correspondante. On montre sur l'exemple du pendule inversé que la méthodologie proposée permet de diminuer l'effet des perturbations ne satisfaisant pas la condition de recouvrement.
La deuxième partie de cette thèse parle de techniques de différenciations qui sont de nature algébrique. On présentera des résultats expérimentaux de la commande d'un pendule inversé avec estimation algébrique des vitesses connaissant les positions respectives. Ensuite, nous proposerons une extension multidimensionnelle de ces techniques de dérivation, i.e. des techniques d'estimation des dérivées partielles d'une fonction multidimensionnelle. Ces techniques peuvent être appliquées en traitement d'image par exemple, ce que nous laisserons au titre de perspectives.

L’objet de cette thèse est de placer l’analyse et la commande des robots marcheurs dans le contexte des systèmes mécaniques sous-actionnés plus généraux. Nous avons développé un nouveau cadre pour la commande d’une classe de systèmes mécaniques sous-actionnés. L’analyse de la structure des systèmes mécaniques sous-actionnés simples nous permet de définir cette classe de systèmes qui représentent les robots marcheurs. La transformation exacte de coordonnées proposée linéarise (partiellement) le système de manière exacte. Cette forme linéarisante est associée à une commande linéaire. Nous montrons que ce cadre permet d’engendrer de manière efficace des trajectoires de référence ainsi que la commande qui assure la poursuite de ces trajectoires. En raison des deux échelles de temps de la commande, ce nouveau cadre est appelé “Commande composite”. On a montré ici que notre nouvelle approche utilise deux systèmes de coordonnées. Ces deux systèmes de coordonnées sont adaptés soit la planification de trajectoire, soit à la résolution du problème de poursuite
A novel framework for modeling and control of underactuated mechanical systems has been developed. Structural analysis of the mechanical system is used to define the subclass of the underactuated systems representing the walking structures that are studied in sequel. The basic methodology of the proposed approach consists of various types of the partial exact linearization of the model that can be also viewed as a part of modelling process. First, based on a suitable exact linearization combined with the so-called ”composite control” the asymptotic stabilization of several underactuated systems is achieved, including a general nlink. The composite principle combined with specific linear control method is a novel idea of the thesis combining certain fast and slow feedbacks in different coordinates systems to compensate the above-mentioned lack of actuation. It is applicable to walking trajectory planning and its asymptotic tracking design. In particular, a so-called pseudopassive walking strategy has been proposed showing a good capacity for designing walking trajectories with various step parameters, e. G. Step length, velocity of walking, etc. The proposed coordinate system choice greatly facilitates efficient feedback strategy design to achieve stable walking trajectory tracking. Numerous experimental simulation results have been achieved confirming the success of the above design strategy

Cette thèse porte sur la commande non linéaire des systèmes mécaniques sous-actionnés, ces systèmes possédant moins d'actionneur que de degrés de liberté. La dynamique interne de ces systèmes est souvent instable ce qui les rend difficiles à commander et requiert des méthodes de commande spécifiques. La contribution de cette thèse est la proposition de deux approches de commandes originales dont le but est la génération de cycle limites stables sur toutes les coordonnées du système mécanique sous-actionné. La première approche de commande est basée sur la linéarisation partielle par retour d'état et l'optimisation de trajectoires de référence. La seconde approche est basée sur les travaux récents sur la commande sans modèle, une technique de commande qui permet de contrôler un système sans avoir besoin de modèle mathématique préalable de sa dynamique. Ces deux approches de commande sont appliquées à un système mécanique sous-actionné particulier: le pendule inversé stabilisé par roue d'inertie. Plusieurs scénarios sont proposés, à la fois en simulation numérique et en temps-réel sur une plate-forme expérimentale. Les résultats obtenus attestent de la capacité des contrôleurs proposés à stabiliser le système autour de cycles limites stables en dépit de la présence de perturbations externes
This thesis is focused on non linear control of underactuated mechanical systems, thoses systems with less actuators than degrees of freedom. The internal dynamics of such system is often unstable making them particulary difficult to control. Thus specific care must be taken when designing controlers for such systems. The main contribution of this thesis is the design of two new control schemes for stable limit cycles generation on all coordinates of underactuated mechanical systems. First control approach is based on partial feedback linearization and reference trajectories optimization. Second approach is based on recent work on model free control,a control scheme which doesn't require prior mathematicalmodel of the controlled system dynamics. The proposed approaches are applied to an inertiawheel inverted pendulumtestbed. Several experimental scenarios are proposed, both in numerical simulation and in realtime implementation. Obtained results demonstrate the ability of both controllers to stabilize the system around stable limit cycles and to reject external disturbances

Les systèmes non linéaires sont si diverses que des outils communs de contrôle sont difficiles à développer. La théorie du contrôle non linéaire nécessite une analyse mathématique rigoureuse pour motiver ses conclusions. Cette thèse aborde deux branches distinctes et bien importantes de la théorie du contrôle non linéaire: le contrôle des systèmes non-linéaires incertains et le contrôle des systèmes sous-actionnés.Dans la première partie, une classe de contrôleurs par mode glissant d’ordre supérieur (MGOS) robuste, basée sur la synthèse de Lyapunov, est développée pour le contrôle des systèmes non-linéaires incertains. Cette classe de contrôleurs est basée sur une classe de régulateurs qui stabilisent une pure chaîne d’intégrateurs en temps fini, et nécessite la connaissance a priori des bornes sur les incertitudes du système. Puis, afin d’éliminer la dépendance liée à la connaissance de ces bornes, un contrôleur par MGOS adaptatif est développé. Dans un deuxième temps, un contrôleur par MGOS homogène universel est développé où il est montré que le degré d’homogénéité peut être manipulé pour obtenir des avantages supplémentaires, tels que la bornitude de la commande, la garantie d’une amplitude minimale de la discontinuité de la commande et la convergence en temps fixe. Les performances des contrôleurs proposés ont été démontrées par des simulations et à travers des résultats expérimentaux sur un système pile à combustible.Dans la deuxième partie de la thèse, deux problèmes de commande de systèmes sous-actionnés sont étudiés. Le premier problème concerne le suivi de chemin global d’un robot mobile avec un point de visée. Le deuxième problème concerne la poursuite de trajectoire globale d’un bateau. Ces deux problèmes sont de nature distincte, cependant, ils sont soumis à des contraintes physiques similaires liées à la bornitude de la commande. Ainsi, les contrôleurs proposés sont basés sur l’utilisation de commandes saturées. Des simulations ont été effectuées pour démontrer les performances de ces contrôleurs
Nonlinear systems are so diverse that generalized tools for control are difficult to develop. Nonlinear control theory requires rigorous mathematical analysis to justify its conclusions. This thesis addresses two distinct, yet important branches of nonlinear control theory: control of uncertain nonlinear systems and control of under-actuated systems.In the first part, a class of Lyapunov-based robust arbitrary higher order sliding mode (HOSM) controllers is developed for the control of uncertain nonlinear systems. This class of controllers is based on a class of controllers for finite-time stabilization of pure integrator chain, and requires the limits of the system uncertainty to be known a-priori. Then, in order to eliminate the dependence on the knowledge of these limits, an adaptive arbitrary HOSM controller is developed. Using this new class, a universal homogeneous arbitrary HOSM controller is developed and it is shown that the homogeneity degree can be manipulated to obtain additional advantages in the proposed controllers, such as bounded control, minimum amplitude of discontinuous control and fixed time convergence. The performance of the controllers has been demonstrated through simulations and experiments on a fuel cell system.In the next part, the control of two under-actuated systems is studied. The first control problem is the global path following of car-type robotic vehicle, using target-point. The second problem is the precise tracking of surface marine vessels. Both these problems are distinct in nature; however, they are subjected to similar physical constraints. The solutions proposed for these control problems use saturated controls, taking into account the physical bounds on the control inputs. Simulations have been performed to demonstrate the performance of these controllers

L’humain et les animaux sont capables d'effectuer des mouvements gracieux et agiles. L'un des ingrédients clés pour ces comportements complexes est la coordination motrice pour exploiter leur dynamique naturelle qui résulte en un mouvement synergique qui dépasse leurs limites physiques. Malgré l'existence d'outils puissants tels que l'optimisation de trajectoire non linéaire, ils sont généralement traités comme une boîte noire. Cette thèse introduit la DCM (Dynamical Coupling Map), une nouvelle technique d'analyse de trajectoire, permettant de mieux comprendre et d'analyser les capacités des robots sous-actionnés tout en tenant compte des contraintes de sous-actionnement et des limites de couple. L'analyse DCM ainsi que les trois nouvelles mesures de performances dénommées Natural Dynamics Index (NDI) démontrent le rôle central de l'exploitation de la dynamique naturelle pour dépasser la capacité physique du robot qui est dictée par les limites des couples d'entrée. De plus, les mérites de l'analyse DCM sont démontrés sur plusieurs manœuvres dynamiques telles que le mouvement de balancement d'un modèle simplifié d'un gymnaste à la barre fixe et le saut en hauteur pour un robot humanoïde de haute dimension. En outre, le DCM est étendu d'un outil d'analyse a posteriori à une heuristique fondamentale pour générer des mouvements dynamiques. On introduit donc le Natural Dynamics based Tree (NDT), un nouvel algorithme de planification kinodynamique qui planifie un mouvement dynamique basé sur la dynamique naturelle du système résultant en une planification de mouvement plus efficace de point de vue computationnel et avec une solution de mouvement de haute qualité
Humans and animals are capable of performing graceful and agile movements. One of the key ingredients for such complex behaviors is motor coordination to exploit their natural dynamics which results in a synergistic motion that surpasses their physical limits. Despite the existence of powerful tools such as nonlinear trajectory optimization, they are usually treated as a black box. This thesis introduces the Dynamical Coupling Map (DCM), a novel graphical analysis technique, to help gain insight into the resulting trajectory of the optimization and analyze the capability of underactuated robots while taking into consideration underactuation constraints and torque limits. The DCM analysis technique along with the three novel performance measures aptly named Natural Dynamics Indexes (NDI) demonstrate the pivotal role of exploiting the natural dynamics to exceed the robot's physical capability which is dictated by the input torques limits. Furthermore, the merits of the DCM analysis are demonstrated on several dynamic maneuvers such as the swing-up motion of a simplified model of a gymnast on high bar and standing high jump for a high-dimensional humanoid robot with arm swing. In addition, the DCM is extended from a posteriori analysis tool to a fundamental heuristic for generating dynamic motions by leveraging the probabilistic motion planning approach with a new natural dynamic based heuristic. Thus, introducing the Natural Dynamics based Tree (NDT), a novel sampling-based kinodynamic planning algorithm which plans a dynamic motion based on the natural dynamics of the system resulting in a more computational efficient motion planning and with high-quality motion solution