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Título: Bimodal hybrid control of rigid-body attitude based on unit quaternions
Outros títulos: Controle híbrido bimodal de atitude de corpos rígidos baseado em quatérnios unitários
Autor(es): Magro, Paulo Percio Mota
Orientador(es): Ishihara, João Yoshiyuki
Coorientador(es): Ferreira, Henrique Cezar
Assunto: Sistemas híbridos
Controlador híbrido
Simulação
Data de publicação: 27-Fev-2018
Referência: MAGRO, Paulo Percio Mota. Bimodal hybrid control of rigid-body attitude based on unit quaternions. 2017. vi, 88 f., il. Tese (Doutorado em Engenharia de Sistemas Eletrônicos e Automação)—Universidade de Brasília, Brasília, 2017.
Texto parcialmente liberado pelo autor. Conteúdo restrito : Capítulo 7.
Resumo: Esta tese tem como objetivo principal o desenvolvimento de um controlador híbrido capaz de resolver o problema de regulação de atitude de um corpo rígido (a partir do repouso) com melhor desempenho que o controlador híbrido histerético existente na literatura em termos de tempo de estabilização ou consumo de energia. A natureza híbrida do controlador é um requisito essencial para se obter um controle global e robusto a ruídos de medição e impedir efeitos indesejáveis como unwinding e chattering. A representação da atitude é feita com quatérnio unitário por possuir o menor número de parâmetros (quatro) que não apresenta singularidades. Propõe-se dois controladores distintos, ambos com duas variáveis de estado lógicas binárias, para o controle de atitude. O primeiro controlador, denominado HY, tem a variável principal determinada por um controle onoff com histerese para indicar qual representação em quatérnio da atitude de referência deve ser seguida e uma outra variável determinada por um controle on-off sem histerese para indicar a proximidade à região crítica sujeita a chattering. Esse esquema oferece mais oportunidades de atualização da variável principal que o controlador híbrido histerético, por exemplo quando há uma variação abrupta na atitude de referência. Isso reduz as chances do corpo seguir na direção da rotação mais longa. Contudo, essa estratégia impõe restrições na forma como o controlador é implementado (jumps não podem ter prioridade sobre flows). No segundo controlador proposto, denominado bimodal, ambas as variáveis são determinadas por um controle on-off com histerese. A variável principal indica qual representação em quatérnio da atitude de referência deve ser seguida e a outra variável indica a proximidade à região crítica sujeita a chattering. Essa estratégia elimina as restrições sobre a forma de implementação do controlador, porém torna a dinâmica dessas variáveis mais complexas, dado que uma variável interfere no comportamento da outra. O efeito resultante é que a banda de histerese do controle on-off referente à variável principal, se adapta de acordo com o estado da outra variá- vel, sendo ora igual, ora a metade do valor do parâmetro banda de histerese. Esse controlador é uma solução intermediária em termos de custo entre o controlador descontínuo e o controlador híbrido histerético. São apresentadas provas formais da estabilidade global do sistema e de sua robustez contra ruídos de medi- ção para ambos os controladores propostos. A eficácia dos controladores é mostrada por meio de simulações. Os resultados indicam que os controladores propostos apresentam vantagens quando a velocidade angular inicial e final é baixa. No caso do controlador bimodal, mesmo para outras velocidades angulares iniciais, o consumo de energia do sistema é, em média, inferior quando comparado com o controlador híbrido histerético. Melhores desempenhos em termos de consumo de energia ocorrem quando a banda de histerese é maior como no caso em que são usados sensores mais baratos ou em ambientes onde há muito ruído eletromagnético. Como extensão dos resultados anteriormente citados, foram propostas mais duas contribuições. A primeira refere-se ao problema de sincronização de atitude de uma rede de corpos rígidos (agentes). Foi proposto um controle distribuído com propriedade de estabilidade global e assintótica e robustez contra ruídos de medição para uma rede de agentes representada por um grafo não direcionado e conexo (cíclico ou acíclico). A segunda está relacionada com o controle cinemático da pose de um corpo rígido dentro do grupo de quatérnio dual unitário. Foi proposta uma extensão do controlador de atitude bimodal para pose. Em ambos os casos as provas formais são apresentadas e resultados de simulação ilustram as vantagens dos controladores propostos.
Abstract: The main objective of this thesis is the development of a hybrid controller capable of solving the restto-rest attitude control problem with better performance than the hysteretic hybrid controller of literature in terms of settling time or energy consumption. The hybrid nature of the controller, in this case, is an essential requirement to achieve global control robust against measurement noise and to prevent undesirable effects such as unwinding and chattering. The attitude is represented by a unit quaternion since it provides the minimum number of parameters that does not present representation singularities. It is proposed two distinct controllers, both with two binary logic variables for the control of attitude. The first designed controller, named HY, has the main variable determined by an on-off control with hysteresis that indicates which quaternion representation of the reference attitude should be followed and the other variable determined by an on-off control without hysteresis that indicates the chattering prone region. This scheme offers more opportunities of updating the main variable than the hysteretic hybrid controller, for instance, when there is an abrupt variation in the reference attitude. As a consequence, the body is more likely to being pulled towards the shortest rotation direction. However, this strategy restricts the way the controller is implemented (jumps can not have higher priority than flows). In the second proposed controller, called bimodal, both variables are determined by an on-off control with hysteresis. The main variable indicates which quaternion representation of the reference attitude should be followed and the other variable indicates the chattering prone region. This strategy eliminates restrictions on the way the controller is implemented, but makes the dynamics of these variables more complex, since one variable influences the behavior of the other. The resulting effect is that the hysteresis width of the on-off control for the main variable adapts according to the state of the other variable being either equal or half of the value of the hysteresis width parameter. This controller is a middle term solution in terms of cost between the memoryless discontinuous and the hysteretic hybrid control. It is presented a formal proof that the two proposed controls lead to global stability without unwinding and are robust against measurement noise. The effectiveness of the controllers is shown through simulations. The results indicate that the proposed controllers have advantages when the initial and final angular velocities are low. In the case of the bimodal controller, even for other initial angular velocities, the energy consumption of the system is, on average, lower compared to the hysteretic hybrid controller. Better performances in terms of energy consumption occur when the hysteresis band is larger as is the case when cheaper sensors are used or in noisy electromagnetic environments. As an extension of the results mentioned above, two other contributions were proposed. One of them refers to the problem of attitude synchronization of a network of rigid bodies (agents). A distributed control with globally asymptotically stability property and robustness against noise measurement was proposed for an undirected connected network (cyclic or acyclic) of agents. The other one is related to the kinematic control of the pose of a rigid body within the unit dual quaternion group. It was proposed an extension of the bimodal attitude controller for the pose. For both cases, formal proofs are presented and simulation results illustrate the advantages of the proposed controllers.
Informações adicionais: Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2017.
Licença: A concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.bce.unb.br, www.ibict.br, http://hercules.vtls.com/cgi-bin/ndltd/chameleon?lng=pt&skin=ndltd sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra disponibilizada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data.
Agência financiadora: Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).
Aparece nas coleções:ENE - Doutorado em Engenharia de Sistemas Eletrônicos e de Automação (Tese)

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