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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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:	20 févr. 2024 16:50
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3345

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