Robust real-time control of an adaptive optics system

Mauch, Steffen GND

This research contributes to the understanding of the limitations when designing a robust control real-time system for Adaptive Optics (AO). One part of the research is a new method regarding the evaluation of a Shack-Hartmann wavefront sensor (SHWFS) to enhance the overall performance. The method is presented based on the application of a Field Programmable Gate Array (FPGA) using Connected Component Labeling (CCL) for blob detection. The FPGA has been utilized since the resulting delay is crucial for the general AO performance. In this regard, the FPGA may accelerate the evaluation largely by its parallelism. The developed algorithm does not rely on a fixed assignment of the camera sensor area to the lenslet array to maximize the dynamic range. In extension to the SHWFS evaluation, a new rapid control prototyping (RCP) system based on hard real-time RTAI-patched Linux kernel has been developed. This system includes the required hardware e.g.~the analog output cards and FPGA based frame-grabber. Based upon a Simulink model, accelerated C/C++ code is automatically generated which uses the available parallel features of the processor. A continuative contribution is the application of a robust control scheme using H-infinity methods for designing a controller while considering uncertainty of the identified model. For synthesizing the controller, a special optimization technique called non-smooth mu-synthesis is utilized which minimizes the H-infinity norm while coping with pre-specified controller schemes. Depending on the pre-specified controller scheme, the resulting controller can be computationally costly but the RCP approach is designed to cope with the problem. Based on simulations and according to experiments, the validity of the identified models of the AO setup is assured. At the same time, the enhanced performance of the new RCP setup is demonstrated.

Die wissenschaftliche Arbeit trägt maßgeblich zum Verständnis der gängigen Limitierungen bei robusten echtzeit-fähigen Regelungssystemen für Adaptiv Optische (AO) Systeme bei. Ein wesentlicher Teil der Arbeit befasst sich mit einer neuartigen Methode der Auswertung eines Shack-Hartmann Wellenfrontsensors (SHWFS). Die Methode basiert auf der Anwendung eines Field Programmable Gate Arrays (FPGA) zur Auswertung des SHWFS. Die zu Grunde liegende Methode ist ein Resultat der Graphentheorie zur Erkennung zusammenhängender Bildbereiche. Der Einsatz eines FPGA ermöglicht hierbei, dass die resultierende Verzögerung durch die Auswertung des SHWFS auf ein Minimum reduziert wird. Hinzu kommt, dass die neuartige Auswertungsmethode den dynamischen Bereich des Wellenfrontsensors gegenüber dem üblichen Verfahren erweitert, da für die Methode keine feste Zuordnung der Spots zu dem Linsenarray notwendig ist. Zusätzlich zu dem neuartigen Verfahren für die Auswertung wurde ein Rapid Control Prototyping (RCP) System entworfen, welches auf einem echtzeitfähigen Linux Kernel basiert. Die Echtzeitfähigkeit wird durch die Verwendung des Real-Time Application Interface for Linux (RTAI) erreicht. Der Entwurf des RCP Systems umfasst die Entwicklung spezieller Hardware wie beispielsweise eine analoge Ausgangskarte und der PCIe FPGA Framegrabber. Aus einem Simulink Modell wird automatisch C/C++ Quellcode generiert. Dieser generierte Code nutzt die vorhandenen parallelen Erweiterungen des Prozessors zur Beschleunigung der vorkommenden Berechnungen. Basierend auf diesem System wurde ein robustes Regelungsverfahren angewendet, welches auf der H_infty Entwurfsmethodik basiert. Das Entwurfverfahren des Reglers (non-smooth mu Synthese) berücksichtigt die vorhandene Unsicherheit der identifizierten Modelle bereits während der Synthese. Das Verfahren ermöglicht die H_infty Norm des geschlossenen Regelkreises zu minimieren, wobei die Regler-Struktur vorgegeben werden kann. Basierend auf verschiedenen Simulationen und experimentellen Versuchen wurde die Gültigkeit der identifizierten Modelle des AO Systems nachgewiesen. Zudem wird gezeigt, dass das entworfene RCP System deutlich leistungsfähiger als vergleichbare Systeme ist und somit eine deutlich verbesserte Performance aufweist.

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Mauch, Steffen: Robust real-time control of an adaptive optics system. Ilmenau 2016.

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