CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Geometric Control of Thrust Propelled Systems
KTH, School of Electrical Engineering and Computer Science (EECS), Automatic Control. (Division of Decision and Control Systems)ORCID iD: 0000-0001-5840-3767
2019 (English)Doctoral thesis, monograph (Other academic)
Abstract [en]

This thesis was motivated and inspired by the AEROWORKS project, a European research project, whose main goal was to deploy multiple heterogeneous unmanned aerial vehicles in environments where human intervention is restricted.In particular, this thesis focuses on control of aerial vehicles for the purposes of cargo transportation, an application of interest, for example, in inspection and maintenance of aging infrastructures.

This thesis also focuses on control of multi-agent systems, where agents are required to accomplish some common goal, such as collaborating on transporting a common cargo. In the first part of this thesis, we focus on control of thrust-propelled systems.A thrust-propelled system is similar to a multi-rotor system, where a thrust input is available along some direction, which we can rotate by means of a torque input.In a first step, we develop controllers for the thrust-propelled system, by application of nonlinear control techniques.In a second and final step, we convert a physical system, by means of an appropriate change of coordinates, into the thrust-propelled system form, at which point we are able to leverage the controllers designed in the first step.Among the physical systems considered in this thesis, we highlight slung-load transportation, where a point-mass cargo is tethered to a single aerial vehicle, and slung-bar transportation, where a bar cargo is tethered to two aerial vehicles.Another key idea, exploited throughout this thesis, is that of geometric control, where one attempts to design controllers that are independent of the user choices.For example, when performing an experiment, a user picks a reference frame, and the application of a geometric controller is insensitive to that choice.On the contrary, a non-geometric controller yields different results depending on which frame is chosen.Experiments and simulations illustrate the performance of the proposed control strategies.

In the second part of this thesis, we focus on global stabilization of mechanical systems, in contrast with the first part, where almost global and/or local stabilization sufficed.However, for non-contractible sets, which are pervasive throughout this thesis, a globally asymptotically stable equilibrium point does not exist under a continuous control law.In particular, we consider a rigid-body pendulum, which we wish to globally stabilize at some desired configuration.To accomplish the latter, we create a graph between several stabilizing continuous control laws, and switch among them so as to provide the desired equilibrium with a global region of attraction, which we validate in simulations.

In the final part of this thesis, we consider a multi-agent system composed of rotation matrices, and we design controllers that guarantee asymptotic incomplete synchronization.In particular, we develop decentralized torque controllers for the agents, and when the directions to be synchronized are principal axes, we are able to propose torque control laws that do not require torque input in all bodies directions, but rather only in the body directions orthogonal to the respective principal axis.Simulations are then presented which illustrate the performance of the proposed control strategy.

Abstract [sv]

Denna avhandling inspirerades av AEROWORKS, ett europeiskt forskningsprojekt vars huvudsakliga syfte var att distribuera flera heterogena obemannade flygplan i miljöer med begränsat mänskligt ingripande. Avhandlingen undersöker kontroll av flygplan för lasttransport, vilket är en viktig tillämpning vid till exempel inspektion och underhåll av åldringsinfrastrukturer.

Därutöver fokuserar avhandlingen på kontroll av multi-agent system där agenter ska uppnå ett gemensamt mål, som exempelvis vid samarbete för transporter av gemensam last. I den första delen av avhandlingen fokuserar vi på kontroll av tryckdrivna system. Ett tryckdrivet system liknar ett flerrotorsystem där en tryckingång är tillgänglig i flera riktningar, vilket vi kan rotera med en momentinmatning. I ett första steg utvecklar vi regulatorer för det tryckdrivna systemet genom att tillämpa icke-linjär reglerteknik. I ett andra och sista steg omvandlar vi {ett fysiskt system} med en lämplig koordinatändring i det tryckdrivna systemet, vilket möjliggör att använda de styrenheter som utformats i det första steget.

Bland de fysiska system som undersöks betonar vi flygtransporter med hängande last där en last är kopplad till ett luftfordon, samt där en last är kopplad till två luftfordon. En annan nyckelidé, som används i hela avhandlingen, är geometrisk reglerteknik där man försöker utforma regulatorer som är oberoende av användarval. Detta innebär att när ett experiment utförs och en användare väljer en referensram, är applikationen av en geometrisk regulator okänslig inför valet av referensram. En icke-geometrisk regulator däremot ger olika resultat beroende på vilken ram som väljs. Experiment och simuleringar illustrerar prestandan för de föreslagna kontrollstrategierna för olika mekaniska system.

I den andra delen av denna avhandling fokuserar vi på global stabilisering av mekaniska system, i motsats till den första delen, där i mindre utsträckning global till lokal stabilisering var tillräcklig. För non-contractible sets, som återfinns genomgående i avhandlingen, existerar dock inte en global stabil asymptotiskt jämviktspunkt under en kontinuerlig reglersignal. Vi tar särskilt i beaktning en fast pendel som vi önskar stabilisera globalt vid en specifik önskad konfiguration. För att uppnå det ovan beskrivna skapar vi ett diagram mellan flera stabiliserande kontinuerliga reglersignaler och växlar mellan dessa för att uppnå den önskade jämvikten med en global samlingsregion. Detta har vi validerat i simuleringar.

I den sista delen av avhandlingen undersöker vi ett multi-agent system som består av rotationsmatriser, och vi utformar regulatorer som garanterar asymptotisk ofullständig synkronisering. Framför allt utvecklar vi decentraliserade vridmomentregulatorer för agenterna. När riktningarna som ska synkroniseras är huvudaxlarna kan vi föreslå regulatorsignaler för vridmoment som inte kräver vridmoment-inmatning i alla riktningar, utan endast i riktningarna ortogonala respektive huvudaxel. Slutligen presenteras simuleringar som illustrerar resultatet av den föreslagna reglerstrategin.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2019. , p. 293
Series
TRITA-EECS-AVL ; 2019:8
Keywords [en]
nonlinear control, geometric control, thrust propelled systems, slung load transportation, aerial tethered transportation, control of aerial vehicles, tracking and stabilization, global stabilization, bounded control, disturbance removal, distributed control, attitude synchronization
National Category
Control Engineering
Research subject
Electrical Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-242339ISBN: 978-91-7873-071-1 (print)OAI: oai:DiVA.org:kth-242339DiVA, id: diva2:1283770
Public defence
2019-02-22, sal F3, Kungliga Tekniska högskolan, Lindstedtsvägen 26, Stockholm, 14:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC 20190130

Available from: 2019-01-30 Created: 2019-01-29 Last updated: 2019-01-30Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(15054 kB)91 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 15054 kBChecksum SHA-512
32676e5816ed342ab2cfe6a0f8da3bdf57c7333357273a81756033157b65171494d2fe38e225d2fa5787f87dcd5b34aa0910ccd515d548cd40907d072483dad2
Type fulltextMimetype application/pdf

Authority records BETA

Ótão Pereira, Pedro Miguel

Search in DiVA

By author/editor
Ótão Pereira, Pedro Miguel
By organisation
Automatic Control
Control Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 91 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

isbn
urn-nbn

Altmetric score

isbn
urn-nbn
Total: 705 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf