’Event-based control: application to robotic systems’

Directeur de thèse :     Nicolas MARCHAND

Co-encadrant :     John-Jairo MARTINEZ-MOLINA

École doctorale : Electronique, electrotechnique, automatique, traitement du signal (eeats)

Spécialité : Automatique et productique

Structure de rattachement : Grenoble-INP

Établissement d'origine : Université de Technologie Belfort-Montbéliard

Financement(s) : Contrat doctoral ; contrat à durée déterminée

Date d'entrée en thèse : 01/10/2013

Date de soutenance : 30/06/2017

Composition du jury :
Isabelle FANTONI, Directeur de recherche CNRS, Heudiasyc, Rapporteur
Nacim RAMDANI, Professeur, PRISME - Université d''Orléans, Rapporteur
Luc DUGARD, Directeur de recherche CNRS, GIPSA-lab, Examinateur
Alexandre SEURET, Chargé de recherche CNRS, LAAS, Examinateur
Tobias GURDAN, Ingénieur, Intel Allemagne, Examinateur
José Fermi GUERRERO-CASTELLANOS, Professeur, Benemérita Universidad
Autónoma de Puebla, Examinateur
Sylvain DURAND, Maître de conférence, ICUBE -- INSA Strasbourg, Invité

Résumé :
La théorie du contrôle a d'abord été conçue pour des contrôleurs analogiques. Il était alors pertinent d'utiliser un environnement continu pour concevoir une boucle de rétroaction. Les technologies analogiques ont été remplacées par des technologies numériques en raison de plusieurs avantages (coût, résistance au bruit, intégration, ...). Le signal de commande est maintenu constant entre les déclenchements ordonnés par une horloge périodique. Le principal inconvénient des contrôleurs périodiques est la bande passante constante requise pour effectuer un contrôle en boucle fermée dans le cas des systèmes commandés en réseau. Pour diminuer le nombre d'informations échangées il est possible de diminuer la fréquence d'échantillonnage, cependant une limite est imposée par la dynamique du système considéré. La commande événementielle vise à compléter la commande périodique en proposant une méthode où les mises à jour du signal de commande sont déclenchées seulement en cas de nécessité.
Dans cette thèse, deux contrôleurs évènementiels sont présentés ainsi que des essais sur des dispositifs expérimentaux. La première méthode est basée sur une fonction de Lyapunov et garantit une certaine vitesse de convergence des solutions du système commandé par événement. Des expériences ont été menées sur une plateforme expérimentale temps-réel. La politique de mise à jour proposée montre une réduction significative du nombre de mise à jour du signal de commande tout en assurant des performances satisfaisantes. La seconde méthode appelée ’commande à événement commutée’ est dédiée aux systèmes à temps discret sujet à des perturbations bornées. Cette approche est basée sur la théorie des ensembles et en particulier sur la propriété d'invariance. Cette méthode a ensuite été adaptée pour un problème de de prévention de collision entre un drone commandé par un pilote et un environnement statique. Les résultats après mise en œuvre sur un système temps-réel sont présentés et discutés.
THESIS ABSTRACT
Control system theory has first been built for analog controllers. In this context, it was relevant to use a continuous framework to design a control feedback function. Nowadays, digital technologies are supplanting analog solutions due to several advantages (cost, noise resistance, integration...). Signal is held constant between periodic triggers given by a digital clock. Periodic controllers are also referred as time-triggered because the update is only dependent on time. The main disadvantage of time triggered control is the amount of communication required to perform closed-loop control in case of networked control systems, for example when the controller and/or the actuator are connected through a network. In that case, periodic control framework requires a constant communication bandwidth to update the informations periodically. One solution to decrease the bandwidth consumption is to increase the sampling period, however performances can decrease and a bottleneck is facing when the sampling period is not adapted for the dynamics of the system. In that context, event-based (or event-triggered) control aims to improve the periodic sampling scheme by proposing a method in which updates are triggered by an event function. With classical time-triggered approaches, the control law is computed and the control signal is updated at a fixed sampling period whether this is really necessary or not. Conversely, event-based procedures do not require these periodic computations and updates, but call for resources only when they are strictly necessary.
In this thesis, two event-based controllers for discrete time systems are presented and experiments on real-time platforms have been performed. The first method is based on a Lyapunov function and guarantee a certain speed of convergence of the event-based system solution. Experiments have been performed on a real-time gyroscope platform. The proposed update policy shows a significant reduction of the number of control update, while ensuring satisfactory performances. The second method called ’event-switched’ control is dedicated to discrete time systems subject to bounded disturbances. This approach is based on set theory and guarantees practical stability of the system solution. This method has been adapted to a problem of collision avoidance between a remotely piloted aerial vehicle and a static environment. Real-time implementation results are shown and the obtained performances are discussed.