Attitude control of inverted pendulums using reaction wheels and variable speed control moment gyroscope

Abstract

O controle de pêndulos invertidos têm atraído atenção e motivado o desenvolvimento de pesquisa nas áreas de controle e robótica por muitas décadas. Esses sistemas podem aproximar a dinâmica de aplicações de engenharia e do mundo real. Além disso, diferentes dispositivos de troca de momento angular podem ser utilizados como atuadores para o controle de pêndulos invertidos. Essa tese de doutorado investiga novas configurações de pêndulo que empregam rodas de reação ou controle por momento giroscópico com velocidade variável para levar e controlar um pêndulo rígido na posição invertida. Uma configuração utilizando duas rodas de reação é introduzida e controladores lineares e não lineares são projetados. O desempenho deles é verificado experimentalmente em uma planta construída pelo autor e que emprega uma hardware de baixo custo para os controladores em tempo real. Além do mais, a utilização do controle por momento giroscópico com velocidade variável combinando a variação do momento angular em amplitude e direção é realizada para o controle de dois pêndulos invertidos diferentes. Primeiramente, um pendulo rígido planar clássico é estudado onde são apresentados o modelo e um controlador não linear obtido a partir da teoria de Lyapunov. Ademais, para uma melhor avaliação, as configurações de pêndulo propostas são comparadas com o conhecido pêndulo com roda de reação e os resultados das configurações propostas mostram o aperfeiçoamento no desempenho. Posteriormente, o modelo e controlador para um pêndulo 3D genérico com um dispositivo de controle por momento giroscópico com velocidade variável são apresentados. A partir de hipóteses apropriadas, esse novo modelo resulta em um pêndulo esférico que também é controlado na posição invertida.

The control of inverted pendulums has attracted attention and motivated the research development of the control and robotics fields for many decades. These systems can approximate the dynamics of engineering and real-world applications. Additionally, different angular momentum exchange devices can be used as actuators to control inverted pendulums. This thesis investigates new pendulum configurations that employ reaction wheels or a variable speed control moment gyroscope to drive and to control a rigid pendulum in the inverted position. A pendulum configuration using two reaction wheels is introduced, and linear and nonlinear controllers are designed. Their performances are verified experimentally using a self-manufactured plant and low-cost hardware to employ the real-time controllers. Moreover, the use of a variable speed control moment gyroscope combining the angular momentum variation in direction and amplitude is carried out to control two different pendulums. Firstly, a classical rigid pendulum is studied where the model and a nonlinear controller derived from the Lyapunov theory are presented. Furthermore, for a better evaluation, the pendulum configurations proposed are compared to the classical reaction wheel pendulum and the results of the proposed pendulum configurations highlight the performance improvement. Afterwards, the model and controller of a generic 3D pendulum with a variable speed control moment gyroscope are derived. Under appropriate assumptions, this new model yields a spherical pendulum that is also controlled in the inverted position.