A semi-active controller tuning and application to base seismically-isolated structures

International audienceThis paper proposes a modified version of Leitmann and co-authors' classical result on the stabilization of uncertain nonlinear systems. In particular, for usual models of structure dynamics in earthquake engineering it is shown that applying a specific control law drives the state variables into a ball around the origin (arbitrarily chosen) in finite time as long as the radius of the ball is not lower than a limiting value. In addition estimates of this limiting ball radius and the time limit for arbitrary ball radius are provided. The semi-active control thus provides the control designer with interesting design parameters. It is also an attempt to explicitly use pseudoacceleration floor response spectrum as a performance criterion. Though not limited to twodegree- of-freedom structures, this semi-active control is applied to these plant models for simplicity and illustrated through simulations

A robust nonlinear semi-active control for base seismically-isolated structures

This paper proposes a robust nonlinear semi-active control for base seismically-isolated structures. The control is based upon an extension of works of Leitmann et al. on the stabilization of nonlinear systems with uncertain models. For usual models of structure dynamics it is shown that applying a specific control law drives the state variables into a ball of specified radius in finite time. The radius of the ball may be arbitrarily chosen as long as it is not lower than a limiting value. In addition, estimates of this limiting ball radius is provided. The time to reach the ball is also provided. The semi-active control thus provides the control designer with interesting design parameters. The efficacy of proposed semiactive control is illustrated by its application to simple models of structures focusing in particular to the attenuation of excitation transmitted from floor to equipment mounted on them

Commande de systèmes d'isolation antisismique mixte

Nous nous intéressons aux méthodes de contrôle de vibrations de modèles réduits de structures à n degrés de liberté, sismiquement isolées au niveau de la base par des systèmes d'isolation mixte.Le mouvement provoqué par une sollicitation sismique horizontale a lieu dans le plan vertical.Nous avons construit un problème de contrôle semi-actif de systèmes incertains soumis à des perturbations inconnues, mais bornées. Dans le langage de l'automatique, il s'agit d'un problème d'atténuation de perturbations.Le résultat principal de cette thèse porte sur la construction d'une version modifiée des résultats de Leitmann et de ses collaborateurs sur la stabilisation de systèmes non linéaires incertains. Le théorème proposé repose sur une loi de commande par retour d'état qui assure en boucle fermée les propriétés de "uniform boundedness" et "uniform ultimate boundedness".En particulier, il peut être appliqué à la résolution de problèmes de contrôle semi-actif, qui sont actuellement traités en génie parasismique.L'objectif du contrôle est d'améliorer le comportement (i.e. la réponse) de structures isolées pour faire face aux perturbations externes, c'est-à-dire les séismes. Plusieurs points différencient notre problème de la majorité que l'on trouve dans la littérature: (i) on ne s'intéresse pas seulement à la protection de la structure isolée, mais aussi aux équipements situés à l'intérieur de la structure, et (ii) au lieu d'utiliser des indicateurs de performance habituels exprimés en termes de déplacement relatif de la base versus des accélérations absolues des planchers, nous utilisons uniquement le spectre de plancher en pseudo-accélération, comme il a été proposé dans des travaux précédents par Politopoulos et Pham. Ce travail est une tentative d'utiliser explicitement les spectres de plancher comme critère de performance.Concernant la procédure d'application, plusieurs étapes intermédiaires ont été détaillées:(i) modélisation de signaux sismiques;(ii) réglage des paramètres de la loi de commande utilisant la théorie des vibrations;(iii) validation et test du comportement en boucle fermée à travers des simulations numériques: pour des raisons de simplicité, on se limite au cas n=2.Cette procédure peut être utilisée sur des structures en industrie nucléaire, mais aussi en génie civil.D'autres sujets traités incluent une tentative d'utiliser les outils temps-fréquence, et en particulier la distribution de Wigner-Ville, pour la synthèse de lois de commande, en espérant pouvoir mieux contrôler les composants transitoires des signaux de perturbation (les entrées) et des variables d'état (les sorties).Vibration attenuation control designs are proposed for reduced plant models consisting of n-degree-of-freedom base seismically-isolated structures (i.e., a specific type of earthquake-resistant design), modeled by uncertain nonlinear systems and subjected to one-dimensional horizontal ground acceleration (i.e. the earthquake signal), treated as unknown disturbance but assumed to be bounded.In control systems literature, this is a perturbation attenuation problem.The main result of this PhD is the development of a modified version of Leitmann and co-authors' classical result on the stabilization of uncertain nonlinear systems. The proposed theorem consists of a bounded nonlinear feedback control law that is capable of ensuring uniform boundedness and uniform ultimate boundedness in closed-loop. In particular, it can be applied to solving semi-active control design problems, which are currently dealt with in earthquake engineering.The control objective is to improve the behavior (i.e. response) of mixed base-isolated structures to external disturbance, namely earthquakes. What differentiates our problem from the majority to be found in the literature is that: (i) attention is being paid to the protection of equipment placed inside the structure an not only to the structure itself; (ii) instead of using regular performance indicators expressed in terms of relative base displacement versus floors accelerations, we use solely the pseudo-acceleration floor response spectra, as it was proposed in previous recent works by Politopoulos and Pham.Actually, this work is an attempt to explicitly use floor response spectra as performance criterion.Concerning the application procedure, some of the topics that were detailed are:(i) modeling of earthquake signals;(ii) tuning of control law parameters based on vibration theory;(iii) validation and testing of the closed-loop behavior using numerical simulations: for simplicity reasons, we take n=2.This procedure can be used on structures of both nuclear industry as well as civil engineering.Other topics include an attempt to using time-frequency concepts and in particular the Wigner-Ville distribution to the control law design procedure, in order to better control transitory components of both perturbation (the input) and state variables signals (the output).PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

Research and Design of a Routing Protocol in Large-Scale Wireless Sensor Networks

无线传感器网络，作为全球未来十大技术之一，集成了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理和自组织网技术，可实时感知、采集、处理、传输网络分布区域内的各种信息数据，在军事国防、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等领域具有十分广阔的应用前景。 本文研究分析了无线传感器网络的已有路由协议，并针对大规模的无线传感器网络设计了一种树状路由协议，它根据节点地址信息来形成路由，从而简化了复杂繁冗的路由表查找和维护，节省了不必要的开销，提高了路由效率，实现了快速有效的数据传输。 为支持此路由协议本文提出了一种自适应动态地址分配算——ADAR（AdaptiveDynamicAddre...As one of the ten high technologies in the future, wireless sensor network, which is the integration of micro-sensors, embedded computing, modern network and Ad Hoc technologies, can apperceive, collect, process and transmit various information data within the region. It can be used in military defense, biomedical, environmental monitoring, disaster relief, counter-terrorism, remote control of haz...学位：工学硕士院系专业：信息科学与技术学院通信工程系_通信与信息系统学号：2332007115216

Control of mixed seismic isolation systems

Nous nous intéressons aux méthodes de contrôle de vibrations de modèles réduits de structures à n degrés de liberté, sismiquement isolées au niveau de la base par des systèmes d'isolation mixte.Le mouvement provoqué par une sollicitation sismique horizontale a lieu dans le plan vertical.Nous avons construit un problème de contrôle semi-actif de systèmes incertains soumis à des perturbations inconnues, mais bornées. Dans le langage de l'automatique, il s'agit d'un problème d'atténuation de perturbations.Le résultat principal de cette thèse porte sur la construction d'une version modifiée des résultats de Leitmann et de ses collaborateurs sur la stabilisation de systèmes non linéaires incertains. Le théorème proposé repose sur une loi de commande par retour d'état qui assure en boucle fermée les propriétés de "uniform boundedness" et "uniform ultimate boundedness".En particulier, il peut être appliqué à la résolution de problèmes de contrôle semi-actif, qui sont actuellement traités en génie parasismique.L'objectif du contrôle est d'améliorer le comportement (i.e. la réponse) de structures isolées pour faire face aux perturbations externes, c'est-à-dire les séismes. Plusieurs points différencient notre problème de la majorité que l'on trouve dans la littérature: (i) on ne s'intéresse pas seulement à la protection de la structure isolée, mais aussi aux équipements situés à l'intérieur de la structure, et (ii) au lieu d'utiliser des indicateurs de performance habituels exprimés en termes de déplacement relatif de la base versus des accélérations absolues des planchers, nous utilisons uniquement le spectre de plancher en pseudo-accélération, comme il a été proposé dans des travaux précédents par Politopoulos et Pham. Ce travail est une tentative d'utiliser explicitement les spectres de plancher comme critère de performance.Concernant la procédure d'application, plusieurs étapes intermédiaires ont été détaillées:(i) modélisation de signaux sismiques;(ii) réglage des paramètres de la loi de commande utilisant la théorie des vibrations;(iii) validation et test du comportement en boucle fermée à travers des simulations numériques: pour des raisons de simplicité, on se limite au cas n=2.Cette procédure peut être utilisée sur des structures en industrie nucléaire, mais aussi en génie civil.D'autres sujets traités incluent une tentative d'utiliser les outils temps-fréquence, et en particulier la distribution de Wigner-Ville, pour la synthèse de lois de commande, en espérant pouvoir mieux contrôler les composants transitoires des signaux de perturbation (les entrées) et des variables d'état (les sorties).Vibration attenuation control designs are proposed for reduced plant models consisting of n-degree-of-freedom base seismically-isolated structures (i.e., a specific type of earthquake-resistant design), modeled by uncertain nonlinear systems and subjected to one-dimensional horizontal ground acceleration (i.e. the earthquake signal), treated as unknown disturbance but assumed to be bounded.In control systems literature, this is a perturbation attenuation problem.The main result of this PhD is the development of a modified version of Leitmann and co-authors' classical result on the stabilization of uncertain nonlinear systems. The proposed theorem consists of a bounded nonlinear feedback control law that is capable of ensuring uniform boundedness and uniform ultimate boundedness in closed-loop. In particular, it can be applied to solving semi-active control design problems, which are currently dealt with in earthquake engineering.The control objective is to improve the behavior (i.e. response) of mixed base-isolated structures to external disturbance, namely earthquakes. What differentiates our problem from the majority to be found in the literature is that: (i) attention is being paid to the protection of equipment placed inside the structure an not only to the structure itself; (ii) instead of using regular performance indicators expressed in terms of relative base displacement versus floors accelerations, we use solely the pseudo-acceleration floor response spectra, as it was proposed in previous recent works by Politopoulos and Pham.Actually, this work is an attempt to explicitly use floor response spectra as performance criterion.Concerning the application procedure, some of the topics that were detailed are:(i) modeling of earthquake signals;(ii) tuning of control law parameters based on vibration theory;(iii) validation and testing of the closed-loop behavior using numerical simulations: for simplicity reasons, we take n=2.This procedure can be used on structures of both nuclear industry as well as civil engineering.Other topics include an attempt to using time-frequency concepts and in particular the Wigner-Ville distribution to the control law design procedure, in order to better control transitory components of both perturbation (the input) and state variables signals (the output)

Commande de systèmes d'isolation antisismique mixte

Vibration attenuation control designs are proposed for reduced plant models consisting of n-degree-of-freedom base seismically-isolated structures (i.e., a specific type of earthquake-resistant design), modeled by uncertain nonlinear systems and subjected to one-dimensional horizontal ground acceleration (i.e. the earthquake signal), treated as unknown disturbance but assumed to be bounded.In control systems literature, this is a perturbation attenuation problem.The main result of this PhD is the development of a modified version of Leitmann and co-authors' classical result on the stabilization of uncertain nonlinear systems. The proposed theorem consists of a bounded nonlinear feedback control law that is capable of ensuring uniform boundedness and uniform ultimate boundedness in closed-loop. In particular, it can be applied to solving semi-active control design problems, which are currently dealt with in earthquake engineering.The control objective is to improve the behavior (i.e. response) of mixed base-isolated structures to external disturbance, namely earthquakes. What differentiates our problem from the majority to be found in the literature is that: (i) attention is being paid to the protection of equipment placed inside the structure an not only to the structure itself; (ii) instead of using regular performance indicators expressed in terms of relative base displacement versus floors accelerations, we use solely the pseudo-acceleration floor response spectra, as it was proposed in previous recent works by Politopoulos and Pham.Actually, this work is an attempt to explicitly use floor response spectra as performance criterion.Concerning the application procedure, some of the topics that were detailed are:(i) modeling of earthquake signals;(ii) tuning of control law parameters based on vibration theory;(iii) validation and testing of the closed-loop behavior using numerical simulations: for simplicity reasons, we take n=2.This procedure can be used on structures of both nuclear industry as well as civil engineering.Other topics include an attempt to using time-frequency concepts and in particular the Wigner-Ville distribution to the control law design procedure, in order to better control transitory components of both perturbation (the input) and state variables signals (the output).Nous nous intéressons aux méthodes de contrôle de vibrations de modèles réduits de structures à n degrés de liberté, sismiquement isolées au niveau de la base par des systèmes d'isolation mixte.Le mouvement provoqué par une sollicitation sismique horizontale a lieu dans le plan vertical.Nous avons construit un problème de contrôle semi-actif de systèmes incertains soumis à des perturbations inconnues, mais bornées. Dans le langage de l'automatique, il s'agit d'un problème d'atténuation de perturbations.Le résultat principal de cette thèse porte sur la construction d'une version modifiée des résultats de Leitmann et de ses collaborateurs sur la stabilisation de systèmes non linéaires incertains. Le théorème proposé repose sur une loi de commande par retour d'état qui assure en boucle fermée les propriétés de "uniform boundedness" et "uniform ultimate boundedness".En particulier, il peut être appliqué à la résolution de problèmes de contrôle semi-actif, qui sont actuellement traités en génie parasismique.L'objectif du contrôle est d'améliorer le comportement (i.e. la réponse) de structures isolées pour faire face aux perturbations externes, c'est-à-dire les séismes. Plusieurs points différencient notre problème de la majorité que l'on trouve dans la littérature: (i) on ne s'intéresse pas seulement à la protection de la structure isolée, mais aussi aux équipements situés à l'intérieur de la structure, et (ii) au lieu d'utiliser des indicateurs de performance habituels exprimés en termes de déplacement relatif de la base versus des accélérations absolues des planchers, nous utilisons uniquement le spectre de plancher en pseudo-accélération, comme il a été proposé dans des travaux précédents par Politopoulos et Pham. Ce travail est une tentative d'utiliser explicitement les spectres de plancher comme critère de performance.Concernant la procédure d'application, plusieurs étapes intermédiaires ont été détaillées:(i) modélisation de signaux sismiques;(ii) réglage des paramètres de la loi de commande utilisant la théorie des vibrations;(iii) validation et test du comportement en boucle fermée à travers des simulations numériques: pour des raisons de simplicité, on se limite au cas n=2.Cette procédure peut être utilisée sur des structures en industrie nucléaire, mais aussi en génie civil.D'autres sujets traités incluent une tentative d'utiliser les outils temps-fréquence, et en particulier la distribution de Wigner-Ville, pour la synthèse de lois de commande, en espérant pouvoir mieux contrôler les composants transitoires des signaux de perturbation (les entrées) et des variables d'état (les sorties)

Learning-based shared control using Gaussian processes for obstacle avoidance in teleoperated robots

Physically inspired models of the stochastic nature of the human-robot-environment interaction are generally difficult to derive from first principles, thus alternative data-driven approaches are an attractive option. In this article, Gaussian process regression is used to model a safe stop maneuver for a teleoperated robot. In the proposed approach, a limited number of discrete experimental training data points are acquired to fit (or learn) a Gaussian process model, which is then used to predict the evolution of the process over a desired continuous range (or domain). A confidence measure for those predictions is used as a tuning parameter in a shared control algorithm, and it is demonstrated that it can be used to assist a human operator by providing (low-level) obstacle avoidance when they utilize the robot to carry out safety-critical tasks that involve remote navigation using the robot. The algorithm is personalized in the sense that it can be tuned to match the specific driving style of the person that is teleoperating the robot over a specific terrain. Experimental results demonstrate that with the proposed shared controller enabled, the human operator is able to more easily maneuver the robot in environments with (potentially dangerous) static obstacles, thus keeping the robot safe and preserving the original state of the surroundings. The future evolution of this work will be to apply this shared controller to mobile robots that are being deployed to inspect hazardous nuclear environments, ensuring that they operate with increased safety

A fast pick-and-place prototype robot: design and control

status: publishe

Assistive Robotic Technologies for Next-Generation Smart Wheelchairs: Codesign and Modularity to Improve Users' Quality of Life

International audienceThis article describes the robotic assistive technologies developed for users of electrically powered wheelchairs, within the framework of the European Union’s Interreg ADAPT (Assistive Devices for Empowering Disabled People Through Robotic Technologies) project. In particular, special attention is devoted to the integration of advanced sensing modalities and the design of new shared control algorithms. In response to the clinical needs identified by our medical partners, two novel smart wheelchairs with complementary capabilities and a virtual reality (VR)-based wheelchair simulator have been developed. These systems have been validated via extensive experimental campaigns in France and the United Kingdom