Model Predictive Tracking Control of Cable-Driven Parallel Robots : From Concept to Real-Time Validation
Commande prédictive des robots parallèles à câbles : du concept à la validation temps-réel
Résumé
This thesis addresses the position tracking control of Cable-Driven Parallel Robot (CDPR) within the framework of the European H2020 project named Hephaestus. The main goal of this project is to develop a robotic solution for the installation of curtain wall modules on building facades. An essential requirement is that the CDPR should safely operate close to the system constraints. It was observed that state-of-the-art control schemes do not cope with this requirement. The control strategies used in the design of such schemes are not able to consider system constraints as an integral part of the main controller.Since Model Predictive Control (MPC) is one of the few control strategies able to explicitly handle the system constraints, this thesis is focused on the design and analysis of MPC schemes for position tracking of CDPRs. Two approaches are then proposed: a linear MPC and a nonlinear MPC (NMPC).The proposed linear MPC is based on a linear approximation of the CDPR dynamic model. The Experimental tests proved that the linear MPC may safely operate close to system constraints. This capability is validated by applying a desired trajectory that cannot be performed without violating the cable tension limits. In this case, the proposed linear MPC scheme is able to perform a trajectory tracking as best as possible while satisfying the cable tension bounds. Conversely, state-of-the-art control schemes are not able to suitably respond under such conditions. Comparing the behavior obtained with the proposed linear MPC and a state-of-the-art control scheme, one may conclude that the capability to operate close to the system constraints represents an important result related to the safety of the operation of CDPRs.Nevertheless, it was noted that the proposed linear MPC may be sensitive to increased nonlinearities. The precision of positioning tracking may be deteriorated for trajectories presenting relatively high velocities. Accordingly, an NMPC able to consider the system nonlinearities is proposed. In contrast to its linear counterpart, the stability of the resulting closed-loop system could be analyzed. Details on its numerical implementation are presented and the improved performance is validated through simulations.In addition to the design of MPC control schemes, this thesis also presents contributions related to the kinematic model of CDPRs and the control of cable tensions. A Forward Kinematic (FK) algorithm considering the pulley kinematics is proposed. An explicit expression for the differential kinematics enabled the implementation of a numerical solution of the nonlinear least-squares system representing the FK problem. Its convergence capabilities are evaluated experimentally and numerically.It is worth noting that the algorithms and control schemes proposed in this thesis were implemented in an industrial software, which demonstrates the applicability of the proposed solutions in commercial applications.
Cette thèse traite de la commande pour le suivi de position des Robots Parallèles à Câbles (RPCs) dans le cadre du projet Hephaestus (projet européen H2020). L'objectif principal de ce projet est de développer une solution robotique pour l'installation de modules de panneaux vitrés sur les façades de bâtiments. Une exigence primordiale est que le RPC fonctionne en toute sécurité à proximité des contraintes du modèle mathématique du système. Il a été observé que les stratégies de l'état de l'art de commande ne répondent pas à cette exigence car elles ne sont pas en mesure de considérer les contraintes du système comme faisant partie intégrante du contrôleur principal.La commande prédictive étant l'une des rares stratégies de commande capable de gérer explicitement les contraintes du système, cette thèse se concentre sur la conception et l'analyse de schémas de commande prédictive pour la poursuite de trajectoire des RPC. Deux approches sont donc proposées : une commande prédictive linéaire (CPL) et une commande prédictive non linéaire (CPNL).La CPL proposée est basée sur une approximation linéaire du modèle dynamique des RPCs. Les tests expérimentaux ont prouvé que la CPL peut fonctionner en toute sécurité près des contraintes du système. Cette capacité est validée en appliquant une trajectoire désirée qui ne peut être effectuée sans violer les limites de tensions des câbles. Dans ce cas, la CPL proposée est capable d'effectuer un suivi de trajectoire le mieux possible tout en satisfaisant les limites de tensions dans les câbles. En revanche, les schémas existants ne sont pas capables de répondre convenablement dans de telles conditions. La comparaison de comportement entre la CPL linéaire proposée et une commande de l'état de l'art permet de conclure que la capacité à fonctionner à proximité des contraintes du système représente un résultat important lié à la sécurité de fonctionnement des RPC.Néanmoins, il a été noté que la CPL peut être sensible à des non-linéarités significatives. La précision de suivi en position peut notamment se dégrader le long de trajectoires présentant des vitesses relativement élevées. En conséquence, une CPNL capable de prendre en compte les non-linéarités du système est proposée. Contrairement à son homologue linéaire, la stabilité du système en boucle fermée résultant a pu être analysée. Des détails sur sa mise en œuvre numérique sont présentés et l'amélioration des performances est validée par des simulations.Outre la conception de commandes prédictives, cette thèse présente également des contributions liées au modèle cinématique des RPC et à la commande des tensions des câbles. Un algorithme de résolution du modèle géométrique direct prenant en compte la cinématique des poulies est proposé. Une expression explicite de la cinématique a permis la mise en œuvre d'une solution numérique basée sur une méthode de moindres carrés non linéaire. Ses capacités de convergence ont été évaluées expérimentalement et numériquement.Les algorithmes et schémas de commande proposés dans cette thèse ont été implémentés dans un logiciel industriel, ce qui démontre l'applicabilité potentielle des solutions proposées dans des applications commerciales.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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