Switching Control for a Networked Vision-based Control System

Abstract

Advances in communication and computation technology facilitate closed loop control via communication networks. Such networked control systems may include distributed sensors and actuators as well as distributed computational resources. In the field of vision-based control, the possibility of distributed computation is of particular interest due to the large amounts of visual data to be processed. Time-delay caused by data transfer through the network and by processing algorithms impair stability and performance of the controlled closed-loop system. In this article, a novel switching control scheme for networked vision-based control systems is proposed accounting for varying time-delay in order to improve control performance. The closed-loop system is modeled as a continuous system with varying time-delay considering processing and transfer time-delays as well as sampling intervals. Mean exponential stability is proven based on occurrence probabilities of delays. The article concludes with comparative experiments showing a significant improvement of control performance of the proposed approach with respect to a non-switching reference controller. Zusammenfassung Fortschritte in Kommunikations-und Rechentechnik ermöglichen regelungstechnische Anwendungen über Kommunikationsnetze. Derartige vernetzte Regelungssysteme können sowohl verteilte Sensoren und Aktoren als auch verteilte Rechenressourcen beinhalten. Insbesondere im Bereich der bildbasierten Regelungen ist die Möglichkeit verteilter Rechenressourcen aufgrund der hohen anfallenden Datenmengen interessant. Durch den Datenaustausch über das Kommunikationsnetz und Verarbeitungsalgorithmen entstehende Zeitverzögerungen beeinträchtigen jedoch Stabilität und Regelgüte. Dieser Artikel schägt ein neuartiges schaltendes Regelungskonzept für vernetzte bildbasierte Regelungssysteme vor, das variable Zeitverzögerun-gen berücksichtigt, um die Regelgüte zu verbessern. Die Modellierung des Gesamtsystems unter Berücksichtigung der Rechen-und Übertragungszeitverzögerungen sowie der Abtastintervalle erfolgt über ein kontinuierliches System mit stochastischen Zeitverzögerungen. Die exponentielle Stabilität der Mittelwerte wird basierend auf der Auftrittswahrscheinlichkeit der Zeitverzögerungen sichergestellt. Abschliessende Experimente mit einem bildbasierten Regelungssystem in Form eines kamerageführten Linearaktors validieren den vorgeschlagenen Ansatz. Die experimentellen Ergebnisse zeigen eine signifikante Verbesserung der Performanz durch den vorgeschlagenen Ansatz gegenüber einem Referenzsystem mit nichtschaltendem Regler.

Cloud-Based Networked Visual Servo Control

“…A higher resolution of the discretization results in lower conservatism of the control design regarding the performance. More details on the selection of appropriate boundary values of the bins s i is presented in [63].…”

“…Compared with a conventional non-switching control approach which applies a constant gain designed for the highest appearing time delayτ, the proposed switching control is less conservative with respect to control performance [63]. There is a systematic way to derive the stabilizing control gains using linear matrix inequalities (LMIs).…”

“…There is a systematic way to derive the stabilizing control gains using linear matrix inequalities (LMIs). Due to space constraints the reader is referred to [63]- [65], where the stability analysis and control design algorithms for this system class are described in detail.…”

“…. , M, as derived in [63]. Therefore, stability constraints have to be considered in the optimization problem.…”

“…Therefore, stability constraints have to be considered in the optimization problem. It becomes a static optimization problem with linear matrix inequality constraints, see details in [63]. A local minimum can be found by the function fmincon from the optimization toolbox in Matlab.…”