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Comme ils l'ont bien montré les exemples présentés dans ce chapitre, l'approche de commande

proposée est une approche particulière de commande prédictive dans laquelle, le problème

d'optimisation à résoudre en ligne est de très faible dimension. En particulier, dans l'ensemble

des exemples montrés, ce problème d'optimisation a été pris scalaire an de pousser la logique

jusqu'au bout. Dans cette section, une idée des temps de calcul par instant de décision

néces-saire pour la mise en ÷uvre en ligne de la loi de commande, est présentée.

L'évaluation du temps de calcul est eectuée sur une machine dotée d'un microprocesseur

intel, à une fréquence d'horloge de 2.5 Ghz. Sur les gures 3.38-3.39 est tracée l'évolution

du temps de calcul (principalement le temps nécessaire pour résoudre le problème

d'optimisa-tion) en fonction des cycles (sachant que le cycle est la période s'étalant entre deux instants

de décision successifs). Dans cette évaluation les trajectoires de référence sont mises à jour

une fois par cycle. Il faut remarquer aussi que les calculs sont eectués sur une plate-forme

visual Fortran 5.0, et les procédures d'optimisation utilisées sont celles de la bibliothèque

numérique IMSL associée à cette plate-forme.

La courbe associée à la première application (système non linéaire dont le linéarisé est

non commandable) est celle de la gure 3.38.(a), la valeur moyenne du temps de calcul, et

celle maximale, évaluées sur 50 cycles sont données par :

¯

t

calc

= 0.0168 sec ; t

max

= 0.021 sec

Pour la deuxième application (une bille sur un rail), c'est la courbe de la gure 3.38.(b),

qui trace le temps de calcul, les valeurs moyenne et maximale sont respectivement données

par :

¯

t

calc

= 0.0567 sec ; t

max

= 0.151 sec

En ce qui concerne le pendule inversé (application 3), la courbe du temps de calcul est

celle de la gure 3.39.(a), la valeur moyenne, et la valeur maximale du temps de calcul, sont

données par :

¯

t

calc

= 0.0296 sec ; t

max

= 0.041 sec

Pour le système de Lorenz (application 4), la courbe qui trace le temps de calcul est celle

de la gure 3.39.(b), l'évaluation de la valeur moyenne et la valeur maximale du temps de

calcul donne :

¯

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3.6. Conclusion 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 cyles

système non linéaire avec linéarisé non commandable

Temps de calcul [sec]

(a)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16

La bille sur le rail

Temps de calcul [sec]

cyles

(b)

Fig. 3.38 Évaluation du temps de calcul : application 1 (a), application 2 (b)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07

0.08 Le pendul inversé ECP 505

cyles

Temps de calcul [sec]

(a)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 −0.01 −0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03

Le système impulsionnel de Lorenz

cyles

Temps de calcul [sec]

(b)

Fig. 3.39 Évaluation du temps de calcul : application 3 (a), application 4 (b)

3.6 Conclusion

Ce chapitre a fait l'objet d'une présentation de la première approche de commande

dévelop-pée dans le cadre de cette thèse. Il s'agit d'une commande prédictive non linéaire de faible

dimension. Une telle approche est proposée dans le but d'aboutir à une mise en ÷uvre en

temps réel sur des systèmes relativement rapides, ce qui est rarement le cas pour les schémas

de commande prédictive non linéaire.

Plusieurs applications ont été proposées, qui concernent généralement des systèmes

méca-niques sous-actionnés. Cependant, deux applications d'entre elles, constituent de bons exemples

pour des essais en temps réel, à savoir le pendule inversé ECP 505, et le robot bipède rabbit

dans la mesure où les dispositifs correspondant sont à disposition au Laboratoire

d'Automa-tique de Grenoble.

L'approche présentée dans ce chapitre est dédiée à une classe de systèmes hybrides qui

présentent des sauts dans le vecteur d'état. Après avoir présenté l'approche de commande,

une analyse de stabilité du système en boucle fermée a été proposée avec un outil graphique

basé sur une optimisation hors ligne.

L'application de la méthode à la commande du robot marcheur rabbit fera l'objet du

chapitre 5.

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3.6. Conclusion

Signication valeur

θ L'angle de la barre du pendule par rapport à la verticale Variable

x La position du centre de gravité de la barre glissante Variable

l

0

Longueur de la barre du pendule, du pivot jusqu'à la barre glissante 0.33 m

m

1

La masse complete de la barre glissante, y compris les élément attachés m

10

+m

w1

m

10

La masse de la barre glissante sans les éléments attachés 0.103 kg

m

w1

La masse des éléments attachés (poids additifs) 0.110kg

(=0 s'ils sont enlevé)

m

2

La masse de l'ensemble sans m

1

m

20

+m

w2

m

w2

La masse du contrepoids (÷2: si un seul disque est remonté) 1.0 kg

m

20

La masse de l'ensemble mobile sans m

1

etm

w2

0.785 kg

l

c0

Position du centre de gravité de l'ensemble pendulaire avec la barre 0.071 m

glissante et sans le contrepoids

l

w

distance signée du pivot au centre de gravité du contrepoids −0.1084 m

l

c

Position du centre de gravité de l'ensemble pendulaire sans la barre

(m20lc0+mw2lw)/m2

glissante

l

m1

distance entre le pivot et le centre de gravité de la barre glissante variable

α L'angle que fait le c.d.g de la barre glissante avec la barre verticale variable

g La gravité 9.8m/s

2

J

0

[J

0

=J

0e

−m

1

l

20

]évalué lorsquem

w2

= 0 0.0246kg.m

2

J

0s

Le moment d'inertie de l'ensemble pendulaire sans la barre glissante 0.0246 kg.m

2

et le contrepoids par rapport au pivot

J

0e

Le moment d'inertie de l'ensemble pendulaire complet

J0s+m1l2

0+mw2l2 w

par rapport au pivot

k

f

Le gain de l'ensemble CNA-amplicateur-moteur-poulie 0.0013 N/DACincr

k

x

Facteur de normalisation du codeur de la barre glissante (codeur 2) 50200incr/m

k

a

Facteur de normalisation du codeur de la barre verticale (codeur 1) 2546 incr/rad

Chapitre 4

Deuxième approche : commande par la

méthode de Lyapunov

4.1 Introduction

Dans ce chapitre, la deuxième contribution de ce travail sera introduite. Elle consiste en

une approche de commande dite de Lyapunov. Cette deuxième approche est basée sur des

lois de commande avec retour d'état non linéaire. Les lois de commande proposées visent à

stabiliser le système autour certaines trajectoires de référence. L'approche part du principe

qu'un cycle de marche est le résultat d'enchaînement de trois phases de marche consécutives :

la phase de simple support, la phase d'impact et la phase de double support. Son objectif

est de commander le robot bipède en phases principales de simple et de double support, tout

en assurant une stabilité robuste pendant la marche vis-à-vis des impacts qui sont considérés

comme étant des perturbations. La commande en phase de simple support asservit le robot

bipède an qu'il poursuive des trajectoires pré-dénies sur les coordonnées actionnées lui

permettant ainsi de faire un pas en avant. Le système à commander durant cette phase de

marche est doté d'un modèle non linéaire sous-actionné, partiellement linéarisable, ce qui va

provoquer un certain comportement de la dynamique interne résultant de la poursuite des

trajectoires sur les coordonnées actionnées. Ce comportement fait que le tronc (coordonnée

non actionnée) diverge de la verticale, or il est souhaitable de le garder autour de la verticale,

mais puisque la durée de la phase de simple support est limitée ('1 sec) le tronc n'aura pas

le temps d'éloigné trop de la verticale, étant donné qu'il n'a pas une dynamique divergente

en temps ni. C'est ici que le rôle de la phase de double support intervient. En eet, cette

phase est utilisée pour stabiliser le système, et en particulier la dynamique interne (coordonnée

non actionnée). Durant cette phase le système est complètement actionné, voir sur-actionné,

alors une commande est appliquée permettant au bipède de garder le double contact avec le

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4.1. Introduction

sol d'une part, et redresser le tronc verticalement d'autre part. Mais qu'en est-il de la phase

d'impact?

Dans cette approche les impacts sont traités comme étant des perturbations. Autrement dit

les lois de commande en phases de simple support et de double support assurent une

conver-gence asymptotique, et entre ces deux phase vient l'impact rigide qui perturbe le système. Il

introduit des discontinuités sur les vitesses articulaires. Donc dans l'analyse de stabilité du

sys-tème sur le cycle complet de marche, les impacts sont traités comme étant des perturbations.

Ceci se traduit par une stabilité robuste du bipède pendant la marche.

4.1.1 Le cycle de marche

La marche d'un robot bipède consiste en une alternance des jambes. La manière d'interaction

du robot bipède avec le sol dénit ce qu'on appelle les phases de marche. Autrement dit le

simple contact donne lieu à la phase de simple support, le double contact induit la phase

de double support, et la collision du pied de vol avec la sol engendre la phase d'impact. De

cet eet un cycle de marche adopté pour cette approche de commande comporte trois phases

consécutives. Deux phases principales (simple support et double support) séparées par une

phase instantanée dite d'impact. Cette séquence est illustrée sur la gure 4.1.

˙

x=f

2

(x) +g

2

(x)u

˙

x=f

1

(x) +g

1

(x)u

x

+

= ∆(x

)

simple support double support

impact

Fig. 4.1 Séquence des phases du cycle de marche

Durant son cycle de marche, le bipède passe par trois phases. Pendant la première, il

ressemble à une chaîne cinématique ouverte, caractérisé par un contact persistant avec la

surface de marche. Alors que pendant la deuxième phase, le phénomène engendré illustre

le passage de la chaîne ouverte à une chaîne fermée (impact avec le sol). Enn, pendant la

troisième phase de marche, il ressemble à une chaîne cinématique fermée, avec deux points de

contact avec le sol.