Contrôle non linéaire de robots sphériques non holonomes à des fins d’exploration spatiale

Diouf, Aminata Ndeye Ndambao (2023). Contrôle non linéaire de robots sphériques non holonomes à des fins d’exploration spatiale. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Dans le cadre de la recherche scientifique et de l’exploration de l’inconnu, l’exploration spatiale se démarque comme l’un des domaines les plus captivants et cruciaux de notre époque. Elle fait appel à une gamme variée de véhicules spatiaux conçus pour des missions et des objectifs diversifiés. Parmi ces vehicules nous avons les rovers, des engins automatisés spécialement conçus pour se déplacer à la surface de planètes et de lunes. Des exemples notables de rovers incluent le rover Curiosity sur Mars et le rover Perseverance.

Cependant, les rovers présentent des limitations intrinsèques, telles qu’une vitesse de déplacement très lente, des environnements hostiles susceptibles de réduire leur durée de vie, une capacité limitée à transporter des instruments scientifiques, ainsi que des terrains difficiles qui peuvent entraver leurs déplacements.

Face à ces défis, les robots sphériques se présentent comme une alternative prometteuse pour l’exploration spatiale. Ils se distinguent par leur capacité à combiner la vitesse, la résistance aux collisions et l’efficacité, tout en nécessitant un nombre minimal d’actionneurs.

Il existe plusieurs types de robots sphériques, chacun se distinguant par sa méthode d’actionnement. Dans le cadre de cette étude, nous nous concentrons sur les robots sphériques barycentriques (BSRs), qui se déplacent en ajustant leur centre de masse, en mettant particulièrement en lumière ARIES, un robot sphérique à 2 degrés de liberté spécialement conçu pour l’exploration de cavernes sur la lune.

L’objectif de cette recherche réside dans la modélisation d’ARIES en utilisant la méthode de Lagrange, en adoptant trois approches distinctes : une approche simplifiée, supposant que les mouvements transversaux et longitudinaux sont indépendants, une approche complète, sans simplification aucune et une approche visant la réduction de la dynamique du système. Parallèlement, nous explorons le contrôle d’ARIES en utilisant le contrôle par mode glissant, tout en procédant à une validation par comparaison avec le contrôle par couple calculé. Nous comparons aussi le mécanisme d’ARIES à celui d’un pendule double qui est plus courant dans la littérature.

Les résultats obtenus révèlent que le contrôle par mode glissant offre des performances remarquables pour des systèmes tels qu’ARIES. Parallèlement, ils mettent en évidence que la dynamique complète procure des performances supérieures comparé aux autres dynamiqes en terme de précision.

Cette étude apporte une contribution significative à notre compréhension des robots sphériques, de leur modélisation à leur contrôle. Ces résultats sont appelés à guider le développement futur de robots sphériques et à éclairer les choix de conception et de contrôle dans un large éventail d’applications.

Titre traduit

Nonlinear control of non-holonomic spherical robots for space exploration

Résumé traduit

In the realm of scientific research and exploration of the unknown, space exploration stands out as one of the most captivating and crucial fields of our time. Space exploration involves a diverse range of spacecraft designed for various missions and objectives. Among these vehicles, rovers are automated machines specifically designed to traverse the surfaces of planets and moons. Notable examples of rovers include the Curiosity rover on Mars and the Perseverance rover.

However, rovers have inherent limitations, such as slow movement speed, exposure to hostile environments that can reduce their lifespan, limited capacity for carrying scientific instruments, and challenging terrains that can hinder their mobility.

In the face of these challenges, spherical robots emerge as a promising alternative for space exploration. Their integration into the aerospace domain has become a significant focus over the past decade. They stand out for their ability to combine speed, collision resistance, and efficiency while requiring a minimal number of actuators.

There are several types of spherical robots, each distinguished by its method of actuation. In this study, we focus on barycentric spherical robots (BSRs), which move by adjusting their center of mass, with particular emphasis on ARIES, a 2-degree-of-freedom spherical robot specially designed for lunar cave exploration.

The goal of this research lies in modeling ARIES using the Lagrange method, adopting three distinct approaches : a simplified approach assuming independent transverse and longitudinal movements, a complete approach without any simplifications, and an approach aimed at reducing the system’s dynamics. Concurrently, we explore the control of ARIES using sliding mode control, while validating it through comparison with computed torque control. We also compare ARIES’ mechanism to that of a double pendulum, a more common concept in the literature.

The results reveal that sliding mode control offers remarkable performance for systems like ARIES. Additionally, they highlight that the complete dynamics yield superior performance, even though decoupled dynamics reduce the number of parameters and, consequently, computation time.

This study makes a significant contribution to our understanding of spherical robots, spanning from their modeling to their control. These findings are poised to guide the future development of spherical robots and inform design and control choices across a wide range of applications.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire par articles présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie aérospatiale". Comprend des références bibliographiques (pages 75-86).
Mots-clés libres:	robots spheriques, contrôle par mode glissant, Lagrange, modélisation dynamique, réduction de la réticence
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse St-Onge, David
Codirecteur:	Codirecteur Saad, Maarouf
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	29 août 2024 13:30
Dernière modification:	29 août 2024 13:30
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3379

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