Synthèse de lois de commande pour des systèmes de téléopération à actionnement pneumatique

Development of bilateral control for pneumatic actuated teleoperation system

• Auteur / Autrice : Minh-Quyen Le
• Direction : Tanneguy Redarce
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique industrielle
• Date : Soutenance le 08/12/2011
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AMPERE - Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications (Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Jocelyne Troccaz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Tanneguy Redarce, Jocelyne Troccaz, Jacques Lottin, Christine Prelle, Richard Moreau, Minh-Tu Pham
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jacques Lottin, Christine Prelle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commande automatique

Mots clés libres

Automatique

Actionneur pneumatique

Servovalves proportionnelles

Electrovalves

Algorithme hybride

Commande par modes glissants

Téléopération

Automatics

Pneumatic actuator

Proportional servovalves

Hybrid algorithm

Sliding mode control

Teleoperation

Résumé

L’objectif des travaux entrepris au cours de cette thèse concerne le développement d’un système haptique de téléopération contrôlé à l’aide d’actionneurs électropneumatiques. Pour réaliser le contrôle du débit de ce type de modulateur, deux solutions technologiques sont possibles : soit des servovalves soit des électrovannes. La première solution est utilisée pour contrôler précisément des systèmes de hautes performances, mais l’apparition d’électrovannes rapides compactes à faible coût offre la possibilité de les utiliser à la place des servovalves. Même si cela entraîne des défis dans la réalisation de la commande, à cause de l’augmentation des non-linéarités intrinsèques de l’actionneur pneumatique lorsqu’il est piloté par les électrovannes au lieu des servovalves. Le premier objectif a consisté à démontrer la possibilité de réaliser des interfaces maître-esclave à performance acceptable à l’aide d’électrovanne, afin de produire des systèmes à faible coût. La méthode la plus courante pour commander des électrovannes consiste à utiliser un signal modulé en largeur d’impulsion. Afin de contrôler de manière plus optimale les électrovannes, une nouvelle stratégie de la commande basée sur l’algorithme hybride a été développée. Cette commande a été implémentée et testée sur un système de maître-esclave à un degré de liberté développé au cours de ces travaux de recherche. Les résultats ont démontré de meilleures performances dans le cas de la commande hybride en termes de dynamique de pression, des performances de suivi en force/position. Afin de disposer des informations de transparence et de stabilité, la commande par mode glissant a été choisie. Une comparaison de la transparence a été réalisée parmi trois architectures pour un système de téléopération. Pour améliorer les performances dynamiques du système, une commande à cinq-mode a été développée. Le second point de recherche entrepris est passé par l’utilisation de servovalves dans un système de téléopération, permettant ainsi de réaliser une comparaison entre les deux technologies. Dans le cas d’une architecture de téléopération, les données expérimentales pour les deux types d’organes de commandes, ont donné des résultats satisfaisants en termes de suivi de force et de position pour le maître et l’esclave. Dans le cas de système de téléopération bilatérale, le capteur de force est souvent supprimé dans le but de réduire les coûts ainsi que le poids et le volume du système global. Les travaux se sont ainsi intéressés à la possibilité d’utiliser des observateurs, à la place de capteurs de force pour déterminer les forces d’interactions entre les interfaces et leurs environnements. Les données expérimentales montrent ainsi qu’il est possible d’obtenir des bonnes performances de transparence en utilisant un simple observateur de Nicosia. Finalement ces différents résultats démontrent le potentiel des actionneurs électropneumatiques pour la réalisation le système de téléopération.

The aim of this thesis is to investigate the development and control of electro-pneumatic actuators in a haptic teleoperation system. For controlling the mass flow rate of such actuators, two types of valve technology are sudied, i.e. solenoid (on/off) valve and proportional servovalve. The servovalves have found widespread applications in which high accuracy of force/position control are needed. They are however typically expensive due to the requirements of high-precision manufacturing. Therefore, the low-cost solenoid valves can be an alternative to the servovalves for achieving acceptable-performance pneumatic control. Generally, the highly nonlinear of the pneumatic actuator is heightened when it uses on/off solenoid valves instead of servovalves. In this case, precise control is challenging due to the discrete-input nature of the system. Our first objective is to demonstrate that it is possible to design an acceptable performance teleoperation system using master-slave robots that have pneumatic actuators equipped with only inexpensive on/off solenoid valves. To control efficiently the switching valves, several control approaches have been proposed, namely pulse width modulation (PWM), hybrid algorithm, and sliding mode control. A hybrid control theory, which includes more switching control modes, than PWM, allows to reduce the chattering problem and improve the energy consumption of the valves. Another strategy (i.e. a sliding mode control), which does not depend on the pneumatic model, is proposed. This control stratgy allows to perform not only the transparent analysis but also the stability analysis. In order to improve the dynamic performance and reduce the chattering problem in solenoid valve actuated pneumatic teleoperation systems, a five-mode sliding control scheme has been used, which can be considered as an extension of the three-mode sliding controller. Our study demonstrates that by increasing the number of possible control actions for the valves, we can reduce the valves’ switching activities, hence improving the valve’s life times at no cost to teleoperation transparency. The second objective of the thesis involves in implementing the proportional servovalves on the pneumatic teleoperation system. A comparison related to the teleoperation performance between an on/off valve and a servovalve is carried out. In experiments, it is observed that with the bilateral teleoperation architecture employing solenoid valves or servovalves, satisfactory force and position tracking between the master and the slave is obtained. In bilateral teleoperation control, force sensors are often omitted to save cost and to lessen weight and volume. Therefore, another aspect of our work consists in using observers for an estimation of operator and environment forces. Experimental results show that acceptable teleoperation transparency based on a simple Nicosia observer and a tangent linear control approach can be achieved.