Attitude control of rigid bodies with time-delayed measurements

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2016.Desenvolver condições de estabilidade e projeto de controladores para controle de atitude de corpos rígidos sujeitos a atrasos no tempo é o objetivo desta dissertação. O modelo utilizado, escrito na forma de equação diferencial atrasada, advém das equações cinemática e dinâmica do corpo rígido modificadas considerando atrasos temporais. Estes atrasos podem representar latências dos sensores e atuadores, além de tempo de processamento de dados (e.g., cômputo dos sinais de controle) e de transmissão de dados quando os elementos do sistema de controle estão conectados por redes comunicação. Em particular, são supostos atrasos desconhecidos e variantes no tempo, o que lhes confere generalidade maior do que os casos abordados até então na literatura, onde os poucos trabalhos que abordaram o problema aprensentam resultados dependentes do valor exato do atraso ou o assumem constante, o que na prática dificilmente é verificado. As condições obtidas, escritas na forma de teoremas, são baseadas em sua maioria na teoria de Lyapunov-Krasovskii. Outro aspecto que diferencia este trabalho em relação aos demais é que os teoremas são formulados como desigualdades matriciais lineares (LMIs, em inglês). A formulação por LMIs é vantajosa não só pelas excelentes propriedades computacionais das LMIs (resolução em tempo polinomial), mas também porque as condições são escritas com variáveis, reduzindo o conservadorismo dos resultados e permitindo a automação do processo de verificação de estabilidade e projeto de controladores, o que também é uma contribuição desta dissertação. Além disso, os controladores possuem performance garantida segundo o critério H∞ , isto é, além de estabilidade, este tipo de controlador tem um nível mínimo de atenuação de perturbações assegurado.Developing stability and controller design conditions for rigid body attitude control subjected to time delays is the goal of this dissertation. The rigid body model, written in form of functional differential equation, stems from the kinematic and dynamic rigid body equations, modified to take time delays into account. Such time delays may represent sensor and actuator latency, processing time (e.g., computing control signals) and transmission lags when the control system elements are connected by communication networks. In particular, time delays are considered unknown and time-varying, which makes them generalizations of previous results in literature, where the scarce works to tackle the problem present results dependent on the exact time delay value, which is hardly verified in practice. The proposed conditions, written as theorems, are mostly based on Lyapunov-Krasovskii theory. Another aspect that sets this work apart is that theorems are formulated as linear matrix inequalities (LMIs). LMI formulation is advantageous not only for its excellent computational properties (polynomial time solving), but also for the conditions are written with variables, which reduces results' conservatism e enables automating stability verification and controller design, which is a contribution of this work as well. In addition, controllers attain guaranteed performance according to H∞ criterion, that is, besides stability, this kind of controller presents a known minimum level of perturbation attenuation

Time-Delayed Gyro-Free Attitude Stabilization

International audienceThis paper addresses output feedback stabilization of fully actuated rigid-body attitude dynamics in the presence of unknown point-wise time-delay in the input torque. Specifically, rate-gyros are unavailable here and only the attitude state represented by the unit quaternion is assumed to be measured. In the absence of time-delay, it is well known that linear asymptotically stabilizing control laws can be derived for this problem using the passivity properties of the system. The presence of unknown time-delay in the measured variables, however, imposes formidable technical challenges for the output-feedback attitude stabilization problem on hand. One of the central difficulties stems from the availability of only a weak Lyapunov-like function for the passivity based dynamic output feedback controller in the absence of delay. This obstacle is circumvented in this paper by a novel process of partially strictifying the underlying weak Lyapunov-like function. This step lends itself very nicely toward the subsequent definition of a Lyapunov-Krasovskii type functional when unknown time-delay is introduced within the feedback. The paper concludes with a closed-loop stability analysis that includes a rigorous characterization for the region of attraction as a function of the initial angular speed and the magnitude of the time-delay