Model predictive control for space manipulator systems with parametric uncertainty & subject to disturbances

Psomiadis, Evangelos; Ψωμιάδης, Ευάγγελος

dc.contributor.author	Psomiadis, Evangelos	en
dc.contributor.author	Ψωμιάδης, Ευάγγελος	el
dc.date.accessioned	2022-03-02T08:45:05Z
dc.date.available	2022-03-02T08:45:05Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/54899
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.22597
dc.rights	Default License
dc.subject	Προβλεπτικός 'ελεγχος	el
dc.subject	Παραμετρική αβεβαιότητα	el
dc.subject	Διαταραχές	el
dc.subject	Θόρυβος	el
dc.subject	Διαστημικά σκουπίδια	el
dc.subject	Διαστημικό ρομποτικό σύστημα	el
dc.subject	Model predictive control	en
dc.subject	Parametric uncertainty	en
dc.subject	Disturbances	en
dc.subject	Noise	en
dc.subject	Space debris	en
dc.subject	Space manipulator system	en
dc.title	Model predictive control for space manipulator systems with parametric uncertainty & subject to disturbances	en
dc.title	Προβλεπτικός έλεγχος για διαστημικά ρομποτικά συστήματα με παραμετρική αβεβαιότητα & υποκείμενα σε διαταραχές	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Control	en
heal.classification	Aerospace	el
heal.classification	Robotics	en
heal.classification	Έλεγχος	el
heal.classification	Αεροδιαστημική	el
heal.classification	Ρομποτική	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-09-30
heal.abstract	Το διάστημα αποτελεί μία εξελισσόμενη και πολλά υποσχόμενη βιομηχανία με χώρες και ιδιώτες να επενδύουν τεράστια χρηματικά ποσά κάθε χρόνο. Το 2021 σημειώθηκε ότι πάνω από 6000 δορυφόροι βρίσκονταν σε τροχιά γύρω από τη Γη. Η μεγάλη αύξηση του αριθμού των δορυφόρων απαιτεί τη διοργάνωση διαστημικών αποστολών οι οποίες θα παρέχουν ένα μεγάλο εύρος υπηρεσιών σε τροχιά. Οι πιθανοί κίνδυνοι του διαστήματος καθιστούν τα διαστημικά ρομποτικά συστήματα ως τη καταλληλότερη επιλογή για να φέρουν εις πέρας αυτές τις εργασίες. Σε αυτή τη διπλωματική εργασία, χρησιμοποιείται ένας Προβλεπτικός Έλεγχος (MPC) για τον έλεγχο του βραχίονα ενός διαστημικού ρομποτικού συστήματος σε πολλά διαφορετικά σενάρια. Ο νόμος ελέγχου συγκρίνεται με έναν συνηθισμένο PID έλεγχο με σκοπό να προσδιοριστούν τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά του. Αρχικά, παρατίθεται η θεωρία της κινηματικής και της δυναμικής ενός Ελεύθερα Αιωρούμενου Διαστημικού Ρομποτικού Συστήματος (ΕΑΔΡΣ) όπως και η θεωρία του σχεδιασμού του MPC -με και χωρίς περιορισμούς-. Όταν το σύστημα είναι Ελεύθερα Αιωρούμενο, το σύστημα ελέγχου της βάσης είναι απενεργοποιημένο και λειτουργεί μόνο το σύστημα ελέγχου του βραχίονα. Διάφορες προσομοιώσεις πραγματοποιούνται χρησιμοποιώντας ένα επίπεδο ΕΑΔΡΣ με έναν βραχίονα 3 Βαθμών Ελευθερίας (ΒΕ). Οι προσομοιώσεις γίνονται χρησιμοποιώντας το Matlab/Simulink καθώς και το λογισμικό MSC Adams. Τα μελετούμενα σενάρια περιέχουν διαφορετικές αποστολές με διάφορους σχεδιασμούς τροχιάς και εμπόδια (όπως διαταραχές, παραμετρική αβεβαιότητα και θόρυβο) που ίσως αντιμετωπίσει ο νόμος ελέγχου του ΕΑΔΡΣ κατά τις αποστολές του. Το πρώτο σενάριο περιέχει τη μελέτη της λειτουργίας ενός MPC όταν εφαρμόζονται σταθερές διαταραχές στους επενεργητές του βραχίονα ενός ΕΑΔΡΣ. Αυτές οι διαταραχές μπορεί να προέρχονται από πιθανές τριβές που εμφανίζονται λόγω της εκτεταμένης χρήσης του βραχίονα. Ο MPC συγκρίνεται με έναν απλό PID έλεγχο με βάση διάφορα κριτήρια όπως το σφάλμα της θέσης και του προσανατολισμού του τελικού σημείου δράσης, τις προκύπτουσες ροπές, τη σύγκλιση του σφάλματος στη μόνιμη κατάσταση και τον υπολογιστικό χρόνο προσομοίωσης. Η κίνηση του ΕΑΔΡΣ, του οποίου ο σκοπός είναι να πιάσει ένα σταθερό σώμα-στόχο, σχεδιάζεται στον Καρτεσιανό χώρο. Παρόμοιες μελέτες πραγματοποιήθηκαν και για τα υπόλοιπα σενάρια. Το δεύτερο σενάριο περιέχει τη σύγκριση των νόμων ελέγχου όταν οι παράμετροι της διάταξης δεν είναι γνωστές με ακρίβεια. Πραγματοποιείται μία προσομοίωση Monte-Carlo για 200 διαφορετικούς συνδυασμούς παραμέτρων και οι έλεγχοι συγκρίνονται με βάση τα σφάλματα και τις ροπές. Η κίνηση σχεδιάζεται στον Καρτεσιανό Χώρο για σταθερό στόχο. Στο τρίτο σενάριο, παρουσιάζεται η σύγκριση των νόμων ελέγχου, όταν το ΕΑΔΡΣ έχει ήδη πιάσει και σταθεροποιήσει έναν στόχο απροσδιόριστης μάζας με σκοπό να τον κινήσει. Η κίνηση του ΕΑΔΡΣ για αυτό το σενάριο σχεδιάζεται στο χώρο των αρθρώσεων. Τέλος, στο τέταρτο σενάριο, δύο διαφορετικά είδη θορύβου εισέρχονται στις μετρούμενες μεταβλητές και η λειτουργία κάθε νόμου ελέγχου ελέγχεται με βάση την ικανότητά του να αντισταθμίζει τον θόρυβο. Η κίνηση του ΕΑΔΡΣ σχεδιάζεται στον Καρτεσιανό χώρο. Ωστόσο, ο στόχος δεν θεωρείται σταθερός αλλά κινείται με σταθερή σχετική ταχύτητα. Επομένως, τα σφάλματα των τελικών ταχυτήτων του τελικού σημείου δράσης λαμβάνονται επίσης υπόψη για τη μελέτη.	el
heal.abstract	Space constitutes a nascent and promising industry with countries and individuals investing a tremendous amount of money every year. By 2021, more than 6000 satellites were orbiting Earth. The immense increase in the number of satellites mandates the organization of missions which would provide a wide range of on-orbit servicing operations. The potential dangers of space render space robotic systems the most appropriate choice for these tasks. In this thesis, a Model Predictive Controller (MPC) is used for the control of the manipulator of a space robotic system for a variety of different scenarios. The controller is compared to a regular PID Controller to manifest its benefits and shortcomings. Firstly, the kinematics and dynamics of a Free-Floating Space Robotic System (FFSMS) as well as the theory for the design of the MPC -with and without constraints- are presented. When the system operates in Free-Floating mode, the controller of the base is turned off and only the manipulator’s controller is active. A plethora of simulations is performed using a planar FFSMS with a single manipulator of 3 Degrees of Freedom (DoF). The simulations are conducted using Matlab/Simulink as well as the Multibody Dynamics software MSC Adams. The studied scenarios involve different missions with various path planning techniques and impediments (like disturbances, parametric uncertainties and noise) which the controller of an FFSMS might face throughout its various missions. The first scenario contains the study of the performance of the MPC when constant disturbances are applied to the joints’ actuators of an FFSMS. These disturbances can model the friction that might appear due to the extensive usage of the manipulator. The MPC is compared to a regular PID using various criteria like the error of the end-effector’s position and orientation, the resulted torques, the convergence of the errors at the steady-state and the simulation time. The motion of the FFSMS, whose purpose is to capture a stationary object-target, is planned in the Cartesian space. Similar studies were performed for the rest of the scenarios. The second scenario includes the comparison of the aforementioned controllers when the plant’s parameters are not accurately known but estimated. A Monte-Carlo simulation is performed for 200 different combinations of parameters and the controllers’ performance is compared based on the resulting errors and torques. The motion is planned in the Cartesian space for a stationary target. In the third scenario, the comparison of the controllers, when the FFSMS has already captured and stabilized a target of undefined mass with the intention to move it, is presented. The motion of the FFSMS for this scenario was planned in the joint space. Finally, in the fourth scenario, two different types of noise are inserted in the process variables and the performance of each controller is examined based on their ability to compensate for the noise. The motion of the FFSMS is planned in the Cartesian space. However, the target is not considered stationary but it moves with a constant velocity. Therefore, the errors of the final velocities of the end-effector have to be considered too.	en
heal.advisorName	Παπαδόπουλος, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Βοσνιάκος, Γεώργιος-Χριστόφορος	el
heal.committeeMemberName	Κυριακόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Μηχανολογικών Κατασκευών και Αυτομάτου Ελέγχου. Εργαστήριο Αυτομάτου Ελέγχου και Ρυθμίσεως Μηχανών και Εγκαταστάσεων	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	109 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false