Swing-up Control of a power-assisted electrical Wheelchair - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Swing-up Control of a power-assisted electrical Wheelchair

Commande d'un fauteuil roulant à assistance électrique

Résumé

According to the World Health Organization, more than 70 million disabled people in the world need a wheelchair to aid their daily mobility needs. Providing access to low cost wheelchairs that covers the users basic needs is therefore a societal challenge that not only contribute to their well-being but also their dignity. Manual wheelchairs are widespread due to their low cost and high maneuverability. In order to mitigate the physical effects of the repeated efforts on the push rims, the company Autonomad Mobility developed an electrification kit. Among the available features, the so-called gyroscopic mode allows operating the wheelchair in an upright position with the caster wheels lifted off the ground. In this thesis, different control laws are proposed to swing-up the wheelchair from the grounded position to the unstable equilibrium position (gyroscopic mode). The specificity of the control problem is that the user is part of the system to be controlled. A mathematical model of the wheel chair and the user is built from the mechanical equations motion and its parameters are identified through adequate experiments. The wheelchair swingup is first casted as a reference tracking problem where the control associated with the trajectory is known. The system is modeled as a continuous Takagi-Sugeno descriptor model and the closed loop Lyapunov stability is formulated as a set on Linear Matrix Inequalities to be solved. The reference control and state trajectories are computed as a solution to an optimal control problem. The tuning of the criterion allows to tune the compromise between the control amplitude and the deviation from the wheelchair target position. Simulation and experimental results are provided and analyzed. Experimental results are globally similar to the simulations, thus demonstrating the validity of the model and the effectiveness of the control approach. Even though the trajectory is actually followed by the wheelchair, the quantification of some sensor readings combined with the numerical implementation of the continuous control law on a discrete system leads to some degradation of the control performances. To make improvements on the above control strategy, a second control approach, using a discrete time controller, is suggested. The wheelchair dynamics is formulated as an uncertain discrete time Takagi-Sugeno discrete descriptor model that accounts for different users' characteristics. The tracking problem is formulated and again, the control approach consists in tracking a given state trajectory but now it is generated by an a priori chosen model stabilized by an appropriate state feedback. The robust stabilization conditions are provided as a set of Linear Matrix Inequalities. Finally, simulation and experimental results are provided. Videos of the experiments are provided to illustrate the robustness of the control law to different users and the closed loop behavior when the user voluntary rocks its upper body.
D'après l'Organisation Mondiale de la santé, plus de 70 millions de personnes à mobilité réduite ont besoin d'un fauteuil roulant pour assurer leurs déplacements quotidiens. Garantir l'accès à des fauteuil abordables et capable de couvrir les déplacements de base est un challenge sociétal qui contribue non seulement au bien-être des personnes mais également à leur dignité. Les fauteuils manuels sont les plus rependus en raison de leur cout modeste et leur grande manœuvrabilité. Pour limiter les troubles musculaires liés aux appuis répétés sur les roues, la société Autonomad Mobility propose un kit d'électrification. Parmi les différentes fonctionnalités proposées, le mode gyroscopique permet à l'utilisateur de se déplacer en équilibre sur deux roues, les petites roues avant étant levées. Dans cette thèse, plusieurs lois de commande sont proposées pour assurer le passage du mode stable (avec les 4 roues posées sur le sol) à la position en équilibre instable du mode gyroscopique. Une des spécificités des lois de commandes proposées, est que l'utilisateur fait partie du système piloté. Un modèle mathématique du fauteuil et de l'utilisateur est construit en utilisant les lois de la mécanique, et ses paramètres sont identifiés grâce à des expérimentations spécifiques. Le passage à la position d'équilibre instable est formulé comme un problème de suivi de trajectoire où la commande utilisée pour générer la trajectoire est connue. Le système est écrit sous la fomre d'un descripteur flou de type Takagi Sugeno et la stabilité de la boucle fermée, au sens de Lyapunov, est formulée comme un ensemble d'inégalités linéaires matricielles. La trajectoire de référence est calculée comme la solution d'un problème de commande optimale. Les pondérations entre les différents termes du critère permettent de choisir le compromis entre l'amplitude de commande et le déplacement longitudinal du fauteuil. Les résultats de simulation et des expérimentations sont présentés et discutés. Globalement, les résultats expérimentaux sont similaires à ceux obtenus en simulation, démontrant ainsi la validité du modèle et la pertinence de l'approche utilisée. Même si la trajectoire de référence est bien suivie par le fauteuil, la quantification des mesures des capteurs et la mise en œuvre sur un calculateur numérique de la loi de commande formulée en temps continue, amène une dégradation des performances de la loi de commande. Afin d'améliorer les résultats obtenus, une deuxième approche, formulée en temps discret, est envisagée. La dynamique du fauteuil roulant est tout d'abord écrite sous la forme d'un descripteur flou de type Takagi-Sugeno. Des incertitudes sur les paramètres permettent de prendre en compte la morphologie de différents utilisateurs. Un problème de suivi de trajectoire est formulée de sorte à suivre une trajectoire d'état donné, mais cette fois ci, la trajectoire est généré en utilisant un modèle fixé a priori et stabilisé via un retour d'état approprié. L'écriture de la stabilisation robuste de la boucle fermée se résume à un ensemble d'inégalité matricielles linéaires. Finalement, des résultats de simulation et expérimentaux sont discutées. Des vidéos des expérimentations sont mises à dispositions. Différents utilisateurs ont testé la loi de commande proposée qui a été en mesure de réguler correctement le fauteuil en équilibre instable en dépit des brusques mouvement volontaires des utilisateurs.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03351906 , version 1 (22-09-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03351906 , version 1

Citer

Michael Gray. Swing-up Control of a power-assisted electrical Wheelchair. Automatic. Université Polytechnique Hauts-de-France, 2021. English. ⟨NNT : 2021UPHF0022⟩. ⟨tel-03351906⟩
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