مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

کنترل غیرخطی تعقیب مسیر ربات‌های متحرک چرخ دار با ورودی‌های مقید

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
هادی سازگار 1
علی کیماسی خلجی 2
1 پژوهشکده مهندسی مکانیک، سازمان پژوهش های علمی و صنعتی ایران
2 دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه خوارزمی
10.48311/mme.24.10.621
چکیده
در بسیاری از کاربردهای ربات چرخ‌دار در کنار الزام کنترل دقیق موقعیت، محدودیت‌های ابعادی و وزن نیز حائز اهمیت می‌باشند. محدودیت وزن و ابعاد به این معناست که نمی‌توان از عملگرهای به دلخواه بزرگ استفاده نمود. از طرفی کنترل دقیق و سریع معمولاً نیازمند بهره‌های کنترلی بالا و در نتیجه ورودی‌های کنترلی بزرگ می‌باشد. چنانچه ورودی کنترلی از حد اشباع عملگر بیشتر باشد، علاوه بر افزایش خطای تعقیب، ممکن است در مواردی منجر به ناپایداری شود. بنابراین ارائه یک روش کنترلی که بتواند همزمان با تامین دقت کنترلی بالا و تضمین پایداری ربات، به صورت از پیش تعیین شده حد اشباع عملگرها (سرعت و گشتاور) را در نظر بگیرد، بسیار ارزشمند خواهد بود. کنترل پیشنهادی شامل دو بخش سینماتیکی و دینامیکی می‌باشد. کنترل سینماتیک بر مبنای رویکرد لیاپانوف بوده که قابلیت تنظیم حد اشباع سرعتی عملگرها را دارا می­باشد. برای کنترل دینامیکی مولفه‌های سرعت به عنوان مقادیر مرجع کنترل و گشتاور چرخ‌های ربات نیز به عنوان ورودی­های کنترلی در نظر گرفته شده‌اند. همچنین حد اشباع گشتاور عملگرها، به صورت از پیش تعیین شده لحاظ شده است. به منظور ارزیابی عملکرد کنترل پیشنهادی تحلیل­های متنوعی بر روی ربات چرخ‌دار انجام و با روش خطی‌سازی فیدبک مقایسه شده است. نتایج نشان می‌دهد که در کنترل پیشنهادی، ماکزیمم ورودی کنترلی حدود 25% ماکزیمم ورودی خطی‌سازی فیدبک می‌باشد. همچنین همگرایی پاسخ نیز سریع‌تر از روش خطی‌سازی فیدبک می‌باشد. بنابراین الگوریتم کنترلی پیشنهادی ضمن تضمین پایداری و تعقیب مسیر با دقت بالا، الزامات حد اشباع عملگرها را نیز به صورت کامل برآورده نموده است
کلیدواژه‌ها
ربات چرخ‌دار
اشباع عملگر‌ها
کنترل سینماتیکی
کنترل دینامیکی
روش لیاپانوف
خطی‌سازی فیدبک

موضوعات

عنوان مقاله English

Nonlinear tracking control of wheeled mobile robots with input constraints

نویسندگان English

Hadi Sazgar 1
Ali Keymasi-Khalaji 2
1 Department of Mechanical Engineering, Iranian Research Organization for Science and Technology (IROST)
2 Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Kharazmi University
چکیده English

In many wheeled robot applications, in addition to accurate position control, dimensional and weight limitations are also important. The limitation of weight and dimensions means that it is not possible to use arbitrarily large actuators. On the other hand, accurate and fast tracking usually requires high control gains and, as a result, large control inputs. If the control input exceeds the saturation limit of the operator, in addition to increasing the tracking error, it may lead to robot instability in some cases. Therefore, it will be precious to provide a control method that can simultaneously provide high control accuracy and guarantee the robot's stability, taking into account the saturation limit of the actuators (speed and torque) in a predetermined manner. This issue has been addressed in the present study. The proposed control includes two parts: a kinematic controller and a dynamic controller. The kinematic control design is based on the Lyapunov approach, which can adjust the speed saturation limit of the actuators. For dynamic control, the robot velocity components are considered as control reference values ​​and the robot wheel torque is considered as control inputs. In the dynamic control design, the torque saturation limit of the actuators is included in a predetermined way. To evaluate the performance of the proposed nonlinear control, various analyses were performed on the wheeled robot. The results showed that the proposed control algorithm while guaranteeing stability and following the path with high accuracy, has also fully met the requirements of the actuators’ saturation limits

کلیدواژه‌ها English

Wheeled Robot
Actuator Limits
Kinematic Control
Dynamic Control
Lyapunov Method
Feedback linearization
1. Taheri H, Zhao CX. Omnidirectional mobile robots, mechanisms and navigation approaches. Mechanism and Machine Theory. 2020;153:103958.
2. Moosavian SAA, Rahimi Bidgoli M, Keymasi Khalaji A. Trajectory tracking control of a wheeled mobile robot by a non-model-based control algorithm using PD-action filtered errors. Modares Mechanical Engineering. 2015;14(12):171-8.
3. Keymasi Khalaji A. Formation control of a differential drive wheeled robot in trajectory tracking. Modares Mechanical Engineering. 2017;16(11):103-12.
4. Rybczak M, Popowniak N, Lazarowska A. A Survey of Machine Learning Approaches for Mobile Robot Control. Robotics. 2024;13(1):12.
5. Zhang C, Cen C, Huang J. An Overview of Model-Free Adaptive Control for the Wheeled Mobile Robot. World Electric Vehicle Journal. 2024;15(9):396.
6. Zamanian M, Keymasi Khalaji A. Trajectory tracking and stabilization control of a wheeled robot using predictive algorithm. Modares Mechanical Engineering. 2018;17(12):167-75.
7. Khonsarian R, Farrokhi M. Vision-Based Model Predictive Control of Wheeled Mobile Robot. Modares Mechanical Engineering. 2019;19(7):1767-77.
8. Mehrabani MM, Khalaji AK, Ghane M. Control of a group of uncertain wheeled robots with global inputs in the presence of obstacles. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part K: Journal of Multi-body Dynamics. 2023;237(1):177-90.
9. Ding W, Zhang J-X, Shi P. Adaptive Fuzzy Control of Wheeled Mobile Robots With Prescribed Trajectory Tracking Performance. IEEE Transactions on Fuzzy Systems. 2024.
10. Kazemipour M, Shojaei K. Nonlinear Disturbance Observer-Based Fuzzy Adaptive Finite-Time Dynamic Surface Formation Control of Tractor–Trailer Wheeled Mobile Robots. Journal of Control. 2021;15(1):93-112.
11. Keymasi Khalaji A. Modeling and control of uncertain multibody wheeled robots. Multibody System Dynamics. 2019;46(3):257-79.
12. Keymasi Khalaji A, Jalalnezhad M. Control of a wheeled robot in presence of sliding of wheels using adaptive backstepping method. Modares Mechanical Engineering. 2018;18(4):144-52.
13. González-Sorribes A, Carbonell R, Cuenca A, Salt J. Control Synthesis of Nonholonomic Mobile Robots Under Time-Varying Delays and Input Saturation: Experimental Validation. IEEE Access. 2024;12:40255-66.
14. Zheng Y, Zheng J, Shao K, Zhao H, Man Z, Sun Z. Adaptive fuzzy sliding mode control of uncertain nonholonomic wheeled mobile robot with external disturbance and actuator saturation. Inf Sci. 2024;663:120303.
15. Katayama H, Hayashi K, Imamura Y. Sampled-Data Circular Path Following Control of Four Wheeled Mobile Robots With Steering Angle Saturation. IEEE Control Systems Letters. 2024;8:706-11.
16. Shojaei K. A novel saturated PID‐type observer‐based controller for wheeled mobile robots with a guaranteed performance considering path curvature. International Journal of Robust and Nonlinear Control. 2024;34(6):3697-725.
17. Zhang Z, Liu X, Jiang W. Adaptive tracking control of a nonholonomic wheeled mobile robot with multiple disturbances and input constraints. at - Automatisierungstechnik. 2024;72(1):35-46.
18. Song N-H, Kim H. Trajectory Tracking of Differential Wheeled Mobile Robots with Input Saturation and Mismatched Centers. Journal of Electrical Engineering & Technology. 2024;19(5):3463-70.
19. Li Y, Cai Y, Wang Y, Li W, Wang G. Simultaneous Tracking and Stabilization of Nonholonomic Wheeled Mobile Robots under Constrained Velocity and Torque. Mathematics. 2024;12(13):1985.
20. Tan LN, Gia DL. ADP-Based H-Infinity Optimal Decoupled Control of Single-Wheel Robots With Physically Coupling Effects, Input Constraints, and Disturbances. IEEE Trans Ind Electron. 2024;71(7):7445-54.
21. Keymasi Khalaji A, Moosavian SAA. Robust adaptive controller for a tractor–trailer mobile robot. IEEE ASME Trans Mechatron. 2013;19(3):943-53.
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 24، شماره 10
مهر 1403
صفحه 621-630