Model Predictive Tracking Control of Cable-Driven Parallel Robots : From Concept to Real-Time Validation

Commande prédictive des robots parallèles à câbles : du concept à la validation temps-réel Cette thèse traite de la commande pour le suivi de position des Robots Parallèles à Câbles (RPCs) dans le cadre du projet Hephaestus (projet européen H2020). L'objectif principal de ce projet est de développer une solution robotique pour l'installation de modules de panneaux vitrés sur les façades de bâtiments. Une exigence primordiale est que le RPC fonctionne en toute sécurité à proximité des contraintes du modèle mathématique du système. Il a été observé que les stratégies de l'état de l'art de commande ne répondent pas à cette exigence car elles ne sont pas en mesure de considérer les contraintes du système comme faisant partie intégrante du contrôleur principal.La commande prédictive étant l'une des rares stratégies de commande capable de gérer explicitement les contraintes du système, cette thèse se concentre sur la conception et l'analyse de schémas de commande prédictive pour la poursuite de trajectoire des RPC. Deux approches sont donc proposées : une commande prédictive linéaire (CPL) et une commande prédictive non linéaire (CPNL).La CPL proposée est basée sur une approximation linéaire du modèle dynamique des RPCs. Les tests expérimentaux ont prouvé que la CPL peut fonctionner en toute sécurité près des contraintes du système. Cette capacité est validée en appliquant une trajectoire désirée qui ne peut être effectuée sans violer les limites de tensions des câbles. Dans ce cas, la CPL proposée est capable d'effectuer un suivi de trajectoire le mieux possible tout en satisfaisant les limites de tensions dans les câbles. En revanche, les schémas existants ne sont pas capables de répondre convenablement dans de telles conditions. La comparaison de comportement entre la CPL linéaire proposée et une commande de l'état de l'art permet de conclure que la capacité à fonctionner à proximité des contraintes du système représente un résultat important lié à la sécurité de fonctionnement des RPC.Néanmoins, il a été noté que la CPL peut être sensible à des non-linéarités significatives. La précision de suivi en position peut notamment se dégrader le long de trajectoires présentant des vitesses relativement élevées. En conséquence, une CPNL capable de prendre en compte les non-linéarités du système est proposée. Contrairement à son homologue linéaire, la stabilité du système en boucle fermée résultant a pu être analysée. Des détails sur sa mise en œuvre numérique sont présentés et l'amélioration des performances est validée par des simulations.Outre la conception de commandes prédictives, cette thèse présente également des contributions liées au modèle cinématique des RPC et à la commande des tensions des câbles. Un algorithme de résolution du modèle géométrique direct prenant en compte la cinématique des poulies est proposé. Une expression explicite de la cinématique a permis la mise en œuvre d'une solution numérique basée sur une méthode de moindres carrés non linéaire. Ses capacités de convergence ont été évaluées expérimentalement et numériquement.Les algorithmes et schémas de commande proposés dans cette thèse ont été implémentés dans un logiciel industriel, ce qui démontre l'applicabilité potentielle des solutions proposées dans des applications commerciales.