Dissertação
{en_GB=A Convex Allocation Framework for Singularity Avoidance in Control Moment Gyro Clusters} {} EVALUATED
{pt=Em robótica, a ocorrência de singularidades está associada à perda de um grau de liberdade. No contexto de satélites que utilizam sistemas de giroscópios de controlo de momento como atuadores de direção, as singularidades podem surgir devido a alinhamentos dos rotores. Isto resulta na perda da autoridade de controlo sobre o sistema, que tem consequências diretas no controlo da orientação do satélite. Nesta tese propõe-se uma nova abordagem para evitar as singularidades, que consiste numa estratégia de alocação complementar a um sistema de controlo convencional. Esta abordagem permite antever as posições futuras dos rotores, com base num modelo matemático do sistema, e com essa informação determinar as ações de controlo que conduzem a configurações não singulares do sistema. A utilização de um atuador redundante permite evitar as singularidades enquanto o sistema obedece às referências de torque impostas pelo controlador. Para além disso, é derivada uma nova métrica, computacionalmente eficiente e numericamente robusta, para avaliar a proximidade das singularidades ao sistema. Esta solução é relativamente simples em comparação com a maioria das soluções existentes, como é o caso do número de condição, podendo ser integrada como uma restrição linear num problema de otimização convexo. Por fim, o potencial da abordagem proposta é demonstrado em ambiente de simulação através do uso de um modelo bidimensional de giroscópios de controlo de momento. Verifica-se que é possível evitar todas as singularidades internas do sistema de uma forma eficiente do ponto de vista computacional., en=In robotics, the occurrence of singularities typically results in a loss of a degree of freedom. For spacecrafts employing control moment gyro clusters, singularities may occur due to the alignment of the gimbals, which inhibits the creation of torque in at least one direction. This translates into a loss of control authority that has a direct impact on the spacecraft’s attitude control system. In this work, an optimal allocation framework for singularity avoidance is proposed. The presented solution aims to provide a singularity robust allocation scheme that can be used as an add-on to a conventional attitude controller. This algorithm resorts to the model predictive control framework to predict the future states of the gimbals and, subsequently, take control actions that lead to singularity-free configurations while minimizing the control energy spent. The use of a redundant actuator makes it possible to avoid singularities while the system meets the torque references defined by the controller. Moreover, a novel, computationally efficient and numerically robust, singularity metric is derived to assess the proximity of a singularity. This function overcomes the complexity of the standard literature solutions, such as the condition number, and can be integrated as a linear constraint in a convex optimization problem. Finally, the proposed approach is applied to a two-dimensional control moment gyro cluster in a simulation environment. It is verified that the system is capable of avoiding all of the internal singularities of the cluster at a relatively low computational expense.}
novembro 25, 2022, 11:0
Publicação
Obra sujeita a Direitos de Autor
Orientação
ORIENTADOR
Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores (DEEC)
Professor Associado