Fault-tolerant cooperative control design for a team of car-like vehicles with actuator faults and fading channels

Hussein, Mahmoud Ali M. (2023). Fault-tolerant cooperative control design for a team of car-like vehicles with actuator faults and fading channels. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This doctoral thesis proposes novel fault-tolerant cooperative control approaches for a team of car-like vehicles subject to actuator faults, fading communication channels, and external disturbances. In this study, the focus is more on the actuator faults due to the fact that actuators play a key role in the stability of physical systems and can significantly impact control systems and result in catastrophic accidents when they experience some failures. Actuator faults can result from the aging or deterioration of actuator components, leading to the actuator’s eventual bias or loss of effectiveness.

This thesis aims to further investigate the impact of the actuator faults on the stability of networked control systems taking into account fading channels and external disturbances while considering problems related to the actuators that have not been addressed in the relative studies. To this end, three fault-tolerant cooperative control approaches have been developed for this purpose and validated in numerical simulations and real-time experimental tests using the latest Quanser self-driving car QCar platform.

The first approach is the Distributed Fault-Tolerant Formation Control (DFTFC) which aims to control a group of car-like vehicles subject to additive actuator faults. In the design of the DFTFC, we consider the dynamics of the actual vehicles and address both the partial and severe actuator faults problem. Moreover, we provide solutions to the re-assignment formation problem for healthy vehicles in the presence of one or more vehicles with severe/complete actuator faults. Our proposed DFTFC can reduce the computation load due to the implementation of the control algorithm in a distributed manner by each vehicle and provides an overall reliable system against the sudden changes that may occur to the actuators during the formation mission. The DFTFC scheme is designed based on a High-Order Sliding Mode (HOSM) observer to detect and isolate additive actuator faults, which are superimposed on the control signals, and the super-twisting algorithm to compensate for the impact of such actuator faults. The rigorous proofs are provided to guarantee the efficacy of the proposed DFTFC in the presence of faults under investigation. The experimental results demonstrated the effectiveness of the DFTFC in providing a faster response to the occurrence of faults and good performance in handling both partial and severe actuator faults as compared to the recently reported studies.

Second is the Fault-Tolerant Cooperative Control (FTCC) approach. The objective of this approach is to control a team of car-like vehicles subject to multiplicative and additive actuator faults with the presence of faded neighborhood information. The motivation for this study stems from the observation that agents exchange information over wireless networks, which inherently introduce random fading to the transmitted signals. In the cooperative control of networked systems with a restricted communication bandwidth, continuous interaction between neighboring agents would inevitably increase the network transmission load and limit the practical application of the system. It is thus important to investigate how to ensure the convergence of the team members to the desired trajectory in the presence of actuator faults using contaminated data. In the design of the FTTC, first, we investigated the impact of fading channels problem on the performance of car-like vehicles. Then, we studied the impact of the simultaneous occurrence of fading channels and actuator faults. The FTCC is designed based on the integral terminal sliding mode (ITSM) technique, which is known for its responsiveness, robustness, and stability in unknown conditions.

To the best of our knowledge, non of the existing studies reported results on the actuator faults problem with faded neighborhood information. This is the first attempt to investigate the simultaneous occurrence of fading channels with actuator faults for a team of car-like vehicles. The performance of the FTTC is successfully validated in real-time experiments.

Finally, in the third approach, Adaptive Fault-Tolerant Cooperative Control (AFTCC), we further investigate the fading channels problem and actuator faults with the presence of external disturbances. The AFTCC is developed based on the Non-singular Fast Terminal Sliding Mode Control (NFTSMC) to speed up the consensus tracking and convergence of the entire system. This controller is developed to handle both the multiplicative and additive actuator faults as well as the multiplicative randomness of the fading channel. The impact of faded neighborhood information and actuator faults with external disturbance on team performance is carefully analyzed. It is demonstrated by the Lyapunov stability theory that the controller can guarantee good performance of the overall system regardless of these issues. Furthermore, the synchronization of vehicles can be ensured. In comparison with existing fault-tolerant control methods, our proposed method has a simple structure and can be easily implemented in practice. Simulations are provided to validate the theoretical results.

Titre traduit

Conception d’une commande coopérative tolérante aux fautes pour une équipe de véhicules de type automobile avec des défauts d’actionneurs et d’évanouissement de canaux

Résumé traduit

Cette thèse de doctorat propose de nouvelles approches de contrôle coopératif tolérant aux fautes pour le groupe de véhicules de type automobile soumis à des pannes d’actionneurs, à des canaux de communication évanescents et à des perturbations externes. Dans cette étude, l’accent est mis sur les défauts des actionneurs car ceux-ci jouent un rôle clé dans la stabilité des systèmes physiques et peuvent avoir un impact significatif sur les systèmes de contrôle et provoquer des accidents catastrophiques lorsqu’ils subissent des défaillances. Les défaillances des actionneurs peuvent résulter du vieillissement ou de la détérioration de leurs composants, ce qui conduit à une éventuelle distorsion ou à une perte d’efficacité de l’actionneur.

Cette thèse vise à approfondir l’étude de l’impact des défauts de l’actionneur sur la stabilité des systèmes de commande en réseau, en tenant compte des canaux à affaiblissement et des perturbations externes, tout en considérant des problèmes liés à l’actionneur qui n’ont pas été abordés dans les études relatives. À cette fin, trois approches coopératives tolérantes aux fautes ont été développées et validées par des simulations numériques et des tests expérimentaux en temps réel en utilisant la dernière version du Quanser self-driving car QCar.

La première approche est le contrôle de formation tolérant aux fautes distribuées (CFTFD), qui vise à contrôler un groupe de véhicules semblables à des voitures, soumis à des fautes d’actionneurs additives. Dans la conception du CFTFD, nous prenons en compte la dynamique des véhicules réels et traitons le problème des défaillances partielles et graves des actionneurs. En outre, nous fournissons des solutions au problème de formation de réaffectation pour les véhicules sains en présence d’un ou de plusieurs véhicules présentant des défauts d’actionneurs graves/complets. Le CFTFD que nous proposons peut réduire la charge de calcul due à la mise en oeuvre de l’algorithme de contrôle de manière distribuée par chaque véhicule et fournit un système globalement fiable contre les changements soudains qui peuvent survenir dans les actionneurs au cours de la mission de formation. Le schéma CFTFD est conçu sur la base d’un observateur à mode glissant d’ordre élevé pour détecter et isoler les défauts additifs des actionneurs, qui sont superposés aux signaux de commande, et l’algorithme de super-torsion pour compenser l’impact de ces défauts d’actionneur. Les preuves rigoureuses sont fournies pour garantir l’efficacité de la CFTFD proposée en présence des défauts étudiés. Les résultats expérimentaux ont démontré l’efficacité du CFTFD en fournissant une réponse plus rapide à l’apparition de défauts et de bonnes performances dans la gestion des défauts partiels et graves des actionneurs par rapport aux études récemment rapportées.

La deuxième est l’approche du contrôle coopératif tolérant aux fautes (CCTF). L’objectif de cette approche est de contrôler une équipe de véhicules de type automobile soumis à des défaillances multiplicatives et additives des actionneurs en présence d’informations de voisinage estompées. La motivation de cette étude provient de l’observation que les agents échangent des informations sur des réseaux sans fil, qui introduisent intrinsèquement un évanouissement aléatoire des signaux transmis. Dans le contrôle coopératif des systèmes en réseau avec une largeur de bande de communication restreinte, l’interaction continue entre les agents voisins augmenterait inévitablement la charge de transmission du réseau et limiterait l’application pratique du système. Il est donc important d’étudier comment garantir la convergence des membres de l’équipe vers la trajectoire souhaitée en présence de défauts de l’actionneur à l’aide de données contaminées. Dans la conception du CCTF, nous avons tout d’abord étudié l’impact du problème des canaux d’évanouissement sur les performances des véhicules de type automobile. Nous avons ensuite étudié l’impact de l’apparition simultanée de canaux d’évanouissement et de défauts de l’actionneur. La CCTF est conçue sur la base de la technique du mode glissant terminal intégral, connue pour sa réactivité, sa robustesse et sa stabilité dans des conditions inconnues.

À notre connaissance, aucune des études existantes n’a fait état de résultats sur le problème des défauts d’actionneur avec des informations de voisinage évanouies. Il s’agit de la première tentative d’étude de l’apparition simultanée de canaux d’évanouissement et de défauts d’actionneurs pour une équipe de véhicules de type automobile. Les performances du CCTF sont validées avec succès par des expériences en temps réel.

Enfin, dans la troisième approche, le contrôle coopératif adaptatif tolérant aux défauts (CCATD), nous étudions davantage le problème des canaux d’évanouissement et les défauts de l’actionneur en présence de perturbations externes. Le CCATD est développé sur la base du contrôle en mode glissant terminal rapide non singulier afin d’accélérer le suivi du consensus et la convergence de l’ensemble du système. Ce contrôleur est conçu pour gérer à la fois les défauts multiplicatifs et additifs des actionneurs ainsi que l’aléa multiplicative du canal d’évanouissement. L’impact sur la performance de l’équipe de l’effacement des informations de voisinage et des défauts des actionneurs avec des perturbations externes est étudié. La théorie de la stabilité de Lyapunov démontre que le contrôleur peut garantir une bonne performance du système global indépendamment de ces problèmes. En outre, la synchronisation des véhicules peut être assurée. Par rapport aux méthodes de contrôle tolérantes aux faute existantes, la méthode que nous proposons a une structure simple et peut être facilement mise en oeuvre dans la pratique. Des simulations sont fournies pour valider les résultats théoriques.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie superieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 115-130).
Mots-clés libres:	contrôle tolérant aux fautes, détection et diagnostic des défaillances, contrôle coopératif, défaut de l’actionneur, canal de communication à évanouissement, robots mobiles, véhicule de type automobile
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Liu, Zhaoheng
Codirecteur:	Codirecteur Zhang, Youmin
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	16 janv. 2024 14:38
Dernière modification:	24 juill. 2024 14:55
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3345

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