La robotique à pattes : un champ d'application pour les observateurs non linéaires à convergence en temps fini

• Auteur / Autrice : Vincent Lebastard
• Direction : Yannick Aoustin, Franck Plestan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique et informatique appliquée
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences et technologies de l'information et des matériaux (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche en communications et cybernétique (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Centrale Nantes (1991-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Robots humanoïdes

Robots -- Systèmes de commande

Résumé

Ce travail traite de l'estimation de l'orientation absolue d'un robot bipède évoluant dans le plan sagittal, en ne considérant que les mesures des variables relatives. Ce problème est abordé en quatre étapes: l'étude de l'observabilité, la construction d'un observateur, la preuve de la stabilité de l'ensemble observateur-commande-robot bipède, la validation expérimentale. L'étude du critère d'observabilité a permis de vérifier que la reconstruction de l'orientation absolue est possible. Ce critère fait toutefois apparaître une perte d'observabilité sur un pas. Deux stratégies sont alors mises en place pour passer cette perte d'observabilité: la première consiste en l'utilisation d'un estimateur au voisinage du domaine de perte d'observabilité; la seconde revient à calculer deux structures d'observateur sur un pas, chaque structure ne présentant pas de perte d'observabilité lors de son utilisation. La reconstruction de l'orientation absolue étant donc possible, la construction d'observateurs a pu être réalisée. Deux types d'observateurs ont été mis en place, à savoir les observateurs à grands gains et les observateurs par modes glissants. Les premiers permettent en particulier de valider les différentes stratégies pour le passage de la perte d'observabilité. Les seconds, quant à eux, grâce à leurs propriétés de convergence en temps fini et de robustesse, ont permis de simplifier la preuve de la stabilité de l'ensemble observateur-commande-robot bipède. L'étude de la stabilité de cet ensemble est établie, sur deux pas, par une approche basée sur les sections de Poincaré, en considérant les observateurs et une commande à convergence en temps fini. Une étude expérimentale sur le robot RABBIT validé l'utilisation d'observateurs pour estimer l'orientation absolue du robot bipède.

This work deals with the estimation of the absolute orientation of a biped robot evolving in the sagittal plane, by only measuring the relative variables. Four steps are necessary to resolve this problem: the observability study, the observer synthesis, the stability study and finally the experimental validation. The observability property of the absolute orientation is verified by studying the observability criterion. Using this criterion a loss of observability appears during the step. In order to avoid this singularity, two strategies have been developed: the first one consists in changing the observer into an estimator in the neighborhood of observability singularity; the second one consists in designing two structures of observers based on different observability indices, which allows that, at each time, the observer is computable. Two kinds of observers are studied: high gain observers and sliding modes observers. The first one is used in order to validate observers strategies. Second ones, with their finite time convergence and robustness properties greatly simplify the stability proof (based on Poincaré's section). Observers have been experimentally validated on RABBIT biped.