Modeling and control of a cabel driven parallel manipulator suspended by a heavy lift airship

par Fida Ben abdallah

Thèse de doctorat en Robotique

Sous la direction de Lotfi Beji et de Azgal Abichou.

Le président du jury était Pierre Joli.

Le jury était composé de Lotfi Beji, Azgal Abichou, Mohamed Djemai, Naoufel Azouz, Rabia Sehab, Jamel Neji.

Les rapporteurs étaient Mohamed Djemai.

  • Titre traduit

    Modélisation et commande d'un robot parallèle à câbles suspendus à un dirigeable gros porteur


  • Résumé

    A l'heure où le monde entier appelle à développer de nouvelles technologies de transport afin de faire face au défi écologique, des projets de dirigeables gros porteurs permettent de relever ce défi. En outre, les dernières avancées technologiques dans le domaine de l'aérospatiale ont permis de résoudre un certain nombre de problèmes responsables de l'hibernation des grands dirigeables pendant plus d'un demi-siècle. Ceci a donné naissance à de nouveaux types de dirigeables gros porteurs. Dans cette thèse, le modèle dynamique du dirigeable gros porteur est défini afin de concevoir un contrôleur efficient.La particularité du dirigeable présenté est sa capacité de charger et de décharger le fret en vol stationnaire, ce qui permet de réduire l'apport logistique et humain par rapport à des scénarios comportant un atterrissage et permet ainsi l'utilisation de cet engin dans des zones ayant peu ou pas d'infrastructure.Ce dirigeable est muni d'une grue formée par un robot parallèle à câbles (RPC) permettant d'optimiser le chargement et déchargement. Cette phase étant la plus sensible, car la charge suspendue peut osciller dangereusement notamment sous l'effet de bourrasques de vent sur le dirigeable. Nous avons concentré nos efforts dans cette thèse à l'analyse de cette phase critique.Le dirigeable gros porteur sera représenté par un système multi-corps composé de plusieurs corps reliés entre eux par des articulations. Les contributions de la thèse sont présentées en deux parties. Dans la première partie, nous supposons qu'il n'y a pas de couplage inertiel entre le dirigeable et le RPC. Ainsi nos recherches ne concernent que le RPC en tenant compte de la mobilité de la base suspendue par des câbles considérés dans un premier temps comme idéaux, puis les phénomènes d'affaissement et de flexibilité des câbles seront pris en compte. La conception de la commande de ce système doit aussi intégrer une répartition optimale de la tension car les câbles doivent à chaque configuration rester tendus. Dans la deuxième partie, nous abordons l'analyse du système global en considérant l'effet de couplage inertiel entre la charge utile suspendue et le dirigeable. Le modèle dynamique de ce système multicorps formé par le dirigeable et le RPC peut être modélisé comme une interconnexion de sous-systèmes d'ordre inférieur. Nous supposons que le dirigeable gros porteur est un sous-système faiblement couplé. En se basant sur cette hypothèse, un contrôleur décentralisé est proposé permettant de contrôler indépendamment le dirigeable et le RPC. Les résultats des simulations numériques sont présentés et montrent la puissance de ce contrôleur.


  • Résumé

    In the recent years, researchers have become increasingly interested in the development of radically new and sustainable transportation modes for both passengers and cargo. These challenges have led to study in areas of knowledge that were dormant, such as the potential of using lighter than air aircraft for cargo transportation. The focus of this thesis is the development of a control architecture that can be integrated on autonomous heavy lift airship and thereby enables safe cargo exchange process. Besides, the dynamic model of the heavy lift airship must be clarified before designing a controller. This system makes use of a Cable Driven Parallel Manipulator (CDPM), allowing the airship to load and unload cargo while hovering. The heavy lift airship is a multi-body systems in which multiple rigid bodies are joined together. During loading and unloading process, the transferred cargo can oscillate due toairship maneuvers. On the other hand, the pendulum-like behavior of suspended load canalter the flight characteristics of the airship. The thesis contributions are presented in two parts. In the first part, we assume that there is no inertial coupling between the airship and CDPM. Hence, our researches concern only the CDPM tacking into account the base mobility at first and then the cable sagging phenomena. The control design should integrate an optimal tension distribution since cables must remain in tension.In the second part, we address the analysis of the heavy lift airship considering the coupling effect between the suspended payload and the airship. To describe the dynamics coupling, the basic motion of one subsystem is regarded as an external disturbance input for the other one. Hence, the dynamic model of this multi-body system composed of the airship and the CDPM can be modeled as an interconnection of lower order subsystems. We assume that the heavy lift airship is a weakly coupled subsystems. Based on this assumption, we design a decentralized controller, which makes it possible to control the airship and the CDPM independently. Numerical simulation results are presented and stability analysis are provided to confirm the accuracy of our derivations.


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