Historical overview of the passification method and its applications to nonlinear and adaptive control problems

The present survey paper provides a historical overview of the method of passification and its applications to nonlinear and adaptive control problems from 1980 to present days

Adaptive control of plants with input saturation: an approach for performance improvement

In this work, a new method for adaptive control of plants with input saturation is presented. The new anti-windup scheme can be shown to result in bounded closed-loop states under certain conditions on the plant and the initial closed-loop states. As an improvement in comparison to existing methods in adaptive control, a new degree of freedom is introduced in the control scheme. It allows to improve the closed-loop response when actually encountering input saturation without changing the closed-loop performance for unconstrained inputs.Diese Arbeit präsentiert eine neue Methode für die adaptive Regelung von Strecken mit Stellgrößenbegrenzung. Für das neue anti-windup Verfahren wird gezeigt, dass die Zustände des Regelkreises begrenzt bleiben, wenn dessen initiale Werte und die Regelstrecke bestimmte Bedingungen erfüllen. Eine Verbesserung im Vergleich zu existierenden Methoden wird durch die Einführung eines zusätzlichen Freiheitsgrades erzielt. Dieser erlaubt die Verbesserung der Regelgüte des geschlossenen Regelkreises, wenn das Eingangssignal sich in der Limitierung befindet, ohne diese sonst zu verändern

Aerospace medicine and biology: A continuing bibliography with indexes (supplement 353)

This bibliography lists 238 reports, articles, and other documents introduced into the NASA Scientific and Technical Information System in August 1991. Subject coverage includes: aerospace medicine and psychology, life support systems and controlled environments, safety equipment, exobiology and extraterrestrial life, biotechnology, human factors engineering, and flight crew behavior and performance

Nonlinear Model Predictive Control for Motion Generation of Humanoids

Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung und Entwicklung numerischer Methoden zur Bewegungserzeugung von humanoiden Robotern basierend auf nichtlinearer modell-prädiktiver Regelung. Ausgehend von der Modellierung der Humanoiden als komplexe Mehrkörpermodelle, die sowohl durch unilaterale Kontaktbedingungen beschränkt als auch durch die Formulierung unteraktuiert sind, wird die Bewegungserzeugung als Optimalsteuerungsproblem formuliert. In dieser Arbeit werden numerische Erweiterungen basierend auf den Prinzipien der Automatischen Differentiation für rekursive Algorithmen, die eine effiziente Auswertung der dynamischen Größen der oben genannten Mehrkörperformulierung erlauben, hergeleitet, sodass sowohl die nominellen Größen als auch deren ersten Ableitungen effizient ausgewertet werden können. Basierend auf diesen Ideen werden Erweiterungen für die Auswertung der Kontaktdynamik und der Berechnung des Kontaktimpulses vorgeschlagen. Die Echtzeitfähigkeit der Berechnung von Regelantworten hängt stark von der Komplexität der für die Bewegungerzeugung gewählten Mehrkörperformulierung und der zur Verfügung stehenden Rechenleistung ab. Um einen optimalen Trade-Off zu ermöglichen, untersucht diese Arbeit einerseits die mögliche Reduktion der Mehrkörperdynamik und andererseits werden maßgeschneiderte numerische Methoden entwickelt, um die Echtzeitfähigkeit der Regelung zu realisieren. Im Rahmen dieser Arbeit werden hierfür zwei reduzierte Modelle hergeleitet: eine nichtlineare Erweiterung des linearen inversen Pendelmodells sowie eine reduzierte Modellvariante basierend auf der centroidalen Mehrkörperdynamik. Ferner wird ein Regelaufbau zur GanzkörperBewegungserzeugung vorgestellt, deren Hauptbestandteil jeweils aus einem speziell diskretisierten Problem der nichtlinearen modell-prädiktiven Regelung sowie einer maßgeschneiderter Optimierungsmethode besteht. Die Echtzeitfähigkeit des Ansatzes wird durch Experimente mit den Robotern HRP-2 und HeiCub verifiziert. Diese Arbeit schlägt eine Methode der nichtlinear modell-prädiktiven Regelung vor, die trotz der Komplexität der vollen Mehrkörperformulierung eine Berechnung der Regelungsantwort in Echtzeit ermöglicht. Dies wird durch die geschickte Kombination von linearer und nichtlinearer modell-prädiktiver Regelung auf der aktuellen beziehungsweise der letzten Linearisierung des Problems in einer parallelen Regelstrategie realisiert. Experimente mit dem humanoiden Roboter Leo zeigen, dass, im Vergleich zur nominellen Strategie, erst durch den Einsatz dieser Methode eine Bewegungserzeugung auf dem Roboter möglich ist. Neben Methoden der modell-basierten Optimalsteuerung werden auch modell-freie Methoden des verstärkenden Lernens (Reinforcement Learning) für die Bewegungserzeugung untersucht, mit dem Fokus auf den schwierig zu modellierenden Modellunsicherheiten der Roboter. Im Rahmen dieser Arbeit werden eine allgemeine vergleichende Studie sowie Leistungskennzahlen entwickelt, die es erlauben, modell-basierte und -freie Methoden quantitativ bezüglich ihres Lösungsverhaltens zu vergleichen. Die Anwendung der Studie auf ein akademisches Beispiel zeigt Unterschiede und Kompromisse sowie Break-Even-Punkte zwischen den Problemformulierungen. Diese Arbeit schlägt basierend auf dieser Grundlage zwei mögliche Kombinationen vor, deren Eigenschaften bewiesen und in Simulation untersucht werden. Außerdem wird die besser abschneidende Variante auf dem humanoiden Roboter Leo implementiert und mit einem nominellen modell-basierten Regler verglichen

Models, algorithms and architectures for cooperative manipulation with aerial and ground robots

Les dernières années ont vu le développement de recherches portant sur l'interaction physique entre les robots aériens et leur environnement, accompagné de l'apparition de nombreux nouveaux systèmes mécaniques et approches de régulation. La communauté centrée autour de la robotique aérienne observe actuellement un déplacement de paradigmes des approches classiques de guidage, de navigation et de régulation vers des tâches moins triviales, telle le développement de l'interaction physique entre robots aériens et leur environnement. Ceci correspond à une extension des tâches dites de manipulation, du sol vers les airs. Cette thèse contribue au domaine de la manipulation aérienne en proposant un nouveau concept appelé MAGMaS, pour " Multiple Aerial Ground Manipulator System ". Les motivations qui ont conduites à l'association de manipulateurs terrestres et aériens pour effectuer des tâches de manipulation coopérative, résident dans une volonté d'exploiter leurs particularités respectives. Les manipulateurs terrestres apportant leur importante force et les manipulateurs aériens apportant leur vaste espace de travail. La première contribution de cette thèse présente une modélisation rigoureuse des MAGMaS. Les propriétés du système ainsi que ses possibles extensions sont discutées. Les méthodes de planning, d'estimation et de régulation nécessaire à l'exploitation des MAGMaS pour des tâches de manipulation collaborative sont dérivées. Ce travail propose d'exploiter les redondances des MAGMaS grâce à un algorithme optimal d'allocation de forces entre les manipulateurs. De plus, une méthode générale d'estimation de forces pour robots aériens est introduite. Toutes les techniques et les algorithmes présentés dans cette thèse sont intégrés dans une architecture globale, utilisée à la fois pour la simulation et la validation expérimentale. Cette architecture est en outre augmentée par l'addition d'une structure de télé-présence, afin de permettre l'opération à distances des MAGMaS. L'architecture générale est validée par une démonstration de levage de barre, qui est une application représentative des potentiels usages des MAGMaS. Une autre contribution relative au développement des MAGMaS consiste en une étude exploratoire de la flexibilité dans les objets manipulés par un MAGMaS. Un modèle du phénomène vibratoire est dérivé afin de mettre en exergue ses propriétés en termes de contrôle. La dernière contribution de cette thèse consiste en une étude exploratoire sur l'usage des actionneurs à raideur variable dans les robots aériens, dotant ces systèmes d'une compliance mécanique intrinsèque et de capacité de stockage d'énergie. Les fondements théoriques sont associés à la synthèse d'un contrôleur non-linéaire. L'approche proposée est validée par le biais d'expériences reposant sur l'intégration d'un actionneur à raideur variable léger sur un robot aérien.In recent years, the subject of physical interaction for aerial robots has been a popular research area with many new mechanical designs and control approaches being proposed. The aerial robotics community is currently observing a paradigm shift from classic guidance, navigation, and control tasks towards more unusual tasks, for example requesting aerial robots to physically interact with the environment, thus extending the manipulation task from the ground into the air. This thesis contributes to the field of aerial manipulation by proposing a novel concept known has Multiple Aerial-Ground Manipulator System or MAGMaS, including what appears to be the first experimental demonstration of a MAGMaS and opening a new route of research. The motivation behind associating ground and aerial robots for cooperative manipulation is to leverage their respective particularities, ground robots bring strength while aerial robots widen the workspace of the system. The first contribution of this work introduces a meticulous system model for MAGMaS. The system model's properties and potential extensions are discussed in this work. The planning, estimation and control methods which are necessary to exploit MAGMaS in a cooperative manipulation tasks are derived. This works proposes an optimal control allocation scheme to exploit the MAGMaS redundancies and a general model-based force estimation method is presented. All of the proposed techniques reported in this thesis are integrated in a global architecture used for simulations and experimental validation. This architecture is extended by the addition of a tele-presence framework to allow remote operations of MAGMaS. The global architecture is validated by robust demonstrations of bar lifting, an application that gives an outlook of the prospective use of the proposed concept of MAGMaS. Another contribution in the development of MAGMaS consists of an exploratory study on the flexibility of manipulated loads. A vibration model is derived and exploited to showcase vibration properties in terms of control. The last contribution of this thesis consists of an exploratory study on the use of elastic joints in aerial robots, endowing these systems with mechanical compliance and energy storage capabilities. Theoretical groundings are associated with a nonlinear controller synthesis. The proposed approach is validated by experimental work which relies on the integration of a lightweight variable stiffness actuator on an aerial robot

A generic architecture style for self-adaptive cyber-physical systems

Die aktuellen Konzepte zur Gestaltung von Regelungssystemen basieren auf dynamischen Verhaltensmodellen, die mathematische Ansätze wie Differentialgleichungen zur Ableitung der entsprechenden Funktionen verwenden. Diese Konzepte stoßen jedoch aufgrund der zunehmenden Systemkomplexität allmählich an ihre Grenzen. Zusammen mit der Entwicklung dieser Konzepte entsteht eine Architekturevolution der Regelungssysteme. In dieser Dissertation wird eine Taxonomie definiert, um die genannte Architekturevolution anhand eines typischen Beispiels, der adaptiven Geschwindigkeitsregelung (ACC), zu veranschaulichen. Aktuelle ACC-Varianten, die auf der Regelungstheorie basieren, werden in Bezug auf ihre Architekturen analysiert. Die Analyseergebnisse zeigen, dass das zukünftige Regelungssystem im ACC eine umfangreichere Selbstadaptationsfähigkeit und Skalierbarkeit erfordert. Dafür sind kompliziertere Algorithmen mit unterschiedlichen Berechnungsmechanismen erforderlich. Somit wird die Systemkomplexität erhöht und führt dazu, dass das zukünftige Regelungssystem zu einem selbstadaptiven cyber-physischen System wird und signifikante Herausforderungen für die Architekturgestaltung des Systems darstellt. Inspiriert durch Ansätze des Software-Engineering zur Gestaltung von Architekturen von softwareintensiven Systemen wird in dieser Dissertation ein generischer Architekturstil entwickelt. Der entwickelte Architekturstil dient als Vorlage, um vernetzte Architekturen mit Verfolgung der entwickelten Designprinzipien nicht nur für die aktuellen Regelungssysteme, sondern auch für selbstadaptiven cyber-physischen Systeme in der Zukunft zu konstruieren. Unterschiedliche Auslösemechanismen und Kommunikationsparadigmen zur Gestaltung der dynamischen Verhalten von Komponenten sind in der vernetzten Architektur anwendbar. Zur Bewertung der Realisierbarkeit des Architekturstils werden aktuelle ACCs erneut aufgenommen, um entsprechende logische Architekturen abzuleiten und die Architekturkonsistenz im Vergleich zu den originalen Architekturen basierend auf der Regelungstheorie (z. B. in Form von Blockdiagrammen) zu untersuchen. Durch die Anwendung des entwickelten generischen Architekturstils wird in dieser Dissertation eine künstliche kognitive Geschwindigkeitsregelung (ACCC) als zukünftige ACC-Variante entworfen, implementiert und evaluiert. Die Evaluationsergebnisse zeigen signifikante Leistungsverbesserungen des ACCC im Vergleich zum menschlichen Fahrer und aktuellen ACC-Varianten.Current concepts of designing automatic control systems rely on dynamic behavioral modeling by using mathematical approaches like differential equations to derive corresponding functions, and slowly reach limitations due to increasing system complexity. Along with the development of these concepts, an architectural evolution of automatic control systems is raised. This dissertation defines a taxonomy to illustrate the aforementioned architectural evolution relying on a typical example of control application: adaptive cruise control (ACC). Current ACC variants, with their architectures considering control theory, are analyzed. The analysis results indicate that the future automatic control system in ACC requires more substantial self-adaptation capability and scalability. For this purpose, more complicated algorithms requiring different computation mechanisms must be integrated into the system and further increase system complexity. This makes the future automatic control system evolve into a self-adaptive cyber-physical system and consistitutes significant challenges for the system’s architecture design. Inspired by software engineering approaches for designing architectures of software-intensive systems, a generic architecture style is proposed. The proposed architecture style serves as a template by following the developed design principle to construct networked architectures not only for the current automatic control systems but also for self-adaptive cyber-physical systems in the future. Different triggering mechanisms and communication paradigms for designing dynamic behaviors are applicable in the networked architecture. To evaluate feasibility of the architecture style, current ACCs are retaken to derive corresponding logical architectures and examine architectural consistency compared to the previous architectures considering the control theory (e.g., in the form of block diagrams). By applying the proposed generic architecture style, an artificial cognitive cruise control (ACCC) is designed, implemented, and evaluated as a future ACC in this dissertation. The evaluation results show significant performance improvements in the ACCC compared to the human driver and current ACC variants

Modelling, Identification and Control of a Quadrotor Helicopter

This thesis work focused on the study of a quadrotor helicopter. The dynamic system modelling and the control algorithm evaluation were carried out. To test the results, a simulator and a real platform were developed. The Newton-Euler formalism was used to model the dynamic system. Particular attention was given to the group composed of the DC-motor, the gear box and the propeller which needed also the estimation of aerodynamic lift and torque to reach better accuracy. PID control algorithms were compared. The first stage tests were performed on a simulated model where it was easy to evaluate the performance with a mathematical approach. The second stage tests were carried out on the quadrotor platform to evaluate the behavior of the real system. A simulator based on Matlab-Simulink was developed. With this program it was possible to test the accuracy of the model and the robustness of the control algorithms. Furthermore a 3D graphic output and a joystick interface made easier the testability and the observability of the system. A quadrotor platform was developed. The electronics was composed of a Micro Control Unit (MCU) interfaced with several devices: the power supply, the receiving unit, the DC-motor power boards, the Inertial Measurement Unit (IMU), the SONAR and the IR modules. Thanks to these devices and the MCU software, both guided and autonomous flights were possible

Management: A continuing literature survey with indexes, March 1974

This special bibliography lists 597 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system in 1973

Semi-Active Adaptive Control of Coupled Structures for Seismic Hazard Mitigation

The research presented in this dissertation examines innovative structures connected with smart control devices driven by adaptive control methods. The research focuses on understanding the dynamics of coupled structures and evaluating the merits of adaptive control in enhancing the seismic performance of these structures and dealing with uncertainties. Coupled structures is recognized as an effective strategy to protect civil structures from seismic excitations. Coupling of adjacent structures has proved to offer functional benefits such as the potential for shifting the buildings’ natural frequencies, likely leading to a reduction in the natural period of vibration. Structural performance is further enhanced by implementing energy-dissipative devices to connect adjacent buildings to minimize the seismic structural responses. One of the main challenges to control civil structures is the high uncertainty involved throughout their lifetimes. Adaptive control promises to deal with changes in structures’ characteristics, such as seismic-induced damage. The simple adaptive control method, which is a reference-model following scheme, is used in the current research to improve the seismic behavior of adjacent buildings connected by structural links where control devices are implemented. The philosophy of the simple adaptive control method is that an actual system (often called plant) can be forced to track the behavior of pre-determined trajectories through adjustable adaptive gains. The effectiveness of the simple adaptive controller in reducing the seismic responses is compared with other adaptive and non-adaptive control methods. The results reveal that the simple adaptive controller is effective in alleviating the structural responses and dealing with uncertainties of coupled structures with both linear and nonlinear behavior. The results also show that the coupling strategy is viable for reducing the structural responses under seismic excitations