Ανίχνευση, απομόνωση βλαβών και αποκατάσταση λειτουργίας
προωθητήρων διαστημικού ρομπότ

Τσάκωνα, Δήμητρα; Tsakona, Dimitra

dc.contributor.author	Τσάκωνα, Δήμητρα	el
dc.contributor.author	Tsakona, Dimitra	en
dc.date.accessioned	2020-12-18T07:07:52Z
dc.date.available	2020-12-18T07:07:52Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/52589
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.20287
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Ρομποτική	el
dc.subject	Διαστημική ρομποτική	el
dc.subject	Διαγνωστική βλαβών	el
dc.subject	Προωθητήρες	el
dc.subject	Παρατηρητής αγνώστων εισόδων	el
dc.subject	Φίλτρο κάλμαν	el
dc.subject	PCA	en
dc.subject	Robotics	en
dc.subject	Space robotics	en
dc.subject	Fault detection	en
dc.subject	FDIR	en
dc.subject	Fault isolation	en
dc.subject	Fault recovery	en
dc.subject	Fault diagnosis	en
dc.subject	FDD	en
dc.subject	UIO	en
dc.subject	Unknown input observers	en
dc.subject	Kalman filters	en
dc.subject	Thrusters	en
dc.subject	Space robot	en
dc.title	Ανίχνευση, απομόνωση βλαβών και αποκατάσταση λειτουργίας προωθητήρων διαστημικού ρομπότ	el
dc.title	Fault detection, isolation, and operation recovery for space robot thrusters	en
dc.contributor.department	Τομέας Μηχανολογικών Κατασκευών & Αυτομάτου Ελέγχου, Εργαστήριο Αυτομάτου Ελέγχου (CSL-EP)	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Ρομποτική	el
heal.classification	Robotics	en
heal.classification	Fault Detection	el
heal.classification	Space Robotics	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-10-14
heal.abstract	Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και το σχεδιασμό ενός συστήματος ανίχνευσης, απομόνωσης και αποκατάστασης βλαβών, το οποίο εφαρμόζεται στο σύστημα προωθητήρων ενός διαστημικού ρομπότ. Ως βλάβη ορίζεται η δυσλειτουργία διαφόρων στοιχείων και τεχνικών συστημάτων και στην ακραία της μορφή της μπορεί να επιφέρει καταστροφικά αποτελέσματα για το σύστημα στο οποίο εμφανίζεται. Μια διαδικασία ανίχνευσης βλαβών έχει ως στόχο να προσδιορίσει και να σηματοδοτήσει εάν υπάρχει βλάβη οπουδήποτε στο σύστημα. Τα ρομπότ αποτελούν ιδιαίτερα περίπλοκα συστήματα, γεγονός που τα καθιστά ιδιαίτερα επιρρεπή σε βλάβες. Ειδικότερα, στην λειτουργία διαστημικών ρομποτικών συστημάτων, λόγω των αυξημένων απαιτήσεων σε ασφάλεια, απόδοση και αξιοπιστία, η ανίχνευση, απομόνωση και αποκατάσταση αυτών των βλαβών καθίσταται ιδιαίτερα σημαντική. Ειδικά στην περίπτωση που προκύψει βλάβη στους προωθητήρες ενός διαστημικού ρομπότ, ενδέχεται να υποβαθμιστεί η απόδοση του ή, ακόμη χειρότερα, μπορεί μια βλάβη να οδηγήσει στην πλήρη απώλεια του. Στο πλαίσιο της μελέτης για το σχεδιασμό ενός τέτοιου σύστηματος ανίχνευσης, απομόνωσης και αποκατάστασης βλαβών πραγματοποιήθηκε χαρτογράφηση των γενικών κατηγοριών των μεθόδων που εφαρμόζονται σε ρομποτικά συστήματα. Διαπιστώθηκε πως, οι τρείς γενικές κατηγορίες μεθόδων αποκατάστασης και διάγνωσης βλαβών είναι οι μέθοδοι βασισμένες σε δεδομένα, οι μέθοδοι βασισμένες στο μοντέλο και οι μέθοδοι βασισμένες σε γνώση. Από όλες τις διαθέσιμες μεθόδους, με βάση τα ειδικά χαρακτηριστικά του υπο μελέτη ρομποτικού συστήματος επιλέγονται τέσσερις μέθοδοι για περαιτέρω εξέταση: η Εκτίμηση κατάστασης με Φίλτρο Κάλμαν, η Παρακολούθηση κατάστασης με Παρατηρητή Αγνώστων Εισόδων, η Ανίχνευση Τροχιάς με Προσέγγιση Ελαχίστων Τετραγώνων και η Ανάλυση Κυρίων Συνιστωσών. Στο πλαίσιο της μελέτης για την επιλογή της μεθόδου που θα φέρει τα καλύτερα αποτελέσματα, κρίνεται σκόπιμο οι τέσσερις προαναφερθείσες μέθοδοι να εφαρμοστούν με την μορφή προσομοιώσεων αντιπροσωπευτικών περιπτώσεων βλάβης. Για την εφαρμογή των μεθόδων μοντελοποιείται αρχικά μια απλοποιημένη μορφή του πραγματικού συστήματος του διαστημικού εξομοιωτή του εργαστηρίου, ο οποίος παρέχει τη δυνατότητα της προσομοίωσης της κίνησης στο διάστημα σε δυο διαστάσεις. Με βάση τη μοντελοποίηση εξάγονται οι εξισώσεις κίνησης του συστήματος ενώ ακόμα μοντελοποιούνται και οι βλάβες στους προωθητήρες, τις οποίες μας ενδιαφέρει να διαγνώσουμε. Τέλος, σύμφωνα με κριτήρια σύγκρισης που είναι αποδεκτά από την σχετική κοινότητα, και έπειτα από την εκπόνηση μιας ποσοτικοποιημένης διαδικασίας αξιολόγησης απόδοσης κάθε μεθόδου, επιλέγεται η μέθοδος Παρακολούθησης κατάστασης με Παρατηρητή Αγνώστων Εισόδων. Για τον σκοπό του σχεδιασμού του τελικού συστήματος ανίχνευσης, απομόνωσης και αποκατάστασης βλαβών, η επιλεγμένη μέθοδος προσαρμόζεται στο πραγματικό σύστημα. Για το σύστημα αυτό σχεδιάζεται ένας ελεγκτής βασισμένος στο μοντέλο ενώ επίσης παρουσιάζεται μια διαδικασία σχεδιασμού τροχιάς με χρήση γραμμικών συναρτήσεων με παραβολικά τμήματα. Στην συνέχεια, η απόδοση της μεθόδου βελτιστοποιείται μέσα από μα επαναληπτική διαδικασία σχεδιασμού. Με βάση τις παρατηρήσεις που προκύπτουν από την διαδικασία αυτή, σχεδιάζονται δύο αλγόριθμοι, με τον έναν να ανιχνεύει και να απομονώνει τις πιθανές βλάβες και τον άλλον να τις αποκαθιστά. Τέλος, η επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων των αλγορίθμων αποδεικνύεται μέσω της εφαρμογής τους σε προσομοιώσεις στο πρόγραμμα Adams.	el
heal.abstract	The present diploma thesis deals with the research and design of a fault detection, isolation and recovery (FDIR) system for a space robot thruster system. A fault is defined as the malfunction of various components and technical systems, and, in its extreme form, it can have devastating effects on the system in which it occurs. A fault detection procedure aims to identify a fault anywhere in the system and notify of its existence. Since robots are particularly complex systems, they are very vulnerable to faults. Specifically, in the case of space robots, due to the increased requirements of safety, efficiency and reliability for their operation, the detection, isolation and recovery of any occurring faults becomes increasingly important. Especially in the event of a fault in the thruster system of a space robot, the performance of the robot may be severely degraded even to the extent of the complete loss of the robot. Within the means of the research for the design of an FDIR system, the categories of the different fault detection and diagnosis approaches are mapped. Those approaches are typically divided into three categories: data-driven, model-based and knowledge based. Based on the special characteristics of our robot, four different approaches are selected for further investigation; State estimation using a Kalman Filter, State observation using an Unknown Input Observer, Trajectory estimation using Least Squares and Principal Components Analysis. For the selection of an approach that will yield the best results, it was considered best for the aforementioned approaches to be applied through simulations of representative fault cases and be evaluated based on the results. For the applications, a simplified form of the real system of the laboratory space simulator – which provides the ability of simulating the motion in space in two dimensions – is first modeled. The equations of motion of the system are extracted, while the thruster faults are also modeled. Finally, based on criteria accepted by the community, and after the elaboration of a quantified performance evaluation process for each approach, the State observation with an Unknown Input Observer approach is selected. For the design of the FDIR system, the selected approach is applied to the real system. A model-based controller is designed. The trajectory planning is based on the usage of linear functions with parabolic sections. The performance of the method is then optimized through an iterative design process. Based on the observations made during the design process, two algorithms are designed, one for detecting and isolating possible faults and the other for recovering. Finally, the confirmation of the results is proven through simulations in Adams.	en
heal.advisorName	Παπαδόπουλος, Ευάγγελος	el
heal.advisorName	Papadopoulos, Evangelos	en
heal.committeeMemberName	Κυριακόπουλος, Κωνσταντίνος	en
heal.committeeMemberName	Αντωνιάδης, Ιωάννης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Μηχανολογικών Κατασκευών και Αυτομάτου Ελέγχου	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	132 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false