مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

کنترل بهینه ربات زمینی چرخدار غیر‌هولونومیک با کنترل‌کننده LQG

نویسندگان
1 مرکز سیستم‌ها و فناوری‌های پیشرفته (CAST)، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تهران، تهران
2 رئیس / مرکز سیستم‌ها و فناوری‌های پیشرفته دانشگاه تهران
3 آزمایشگاه ابزاردقیق پیشرفته، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تهران، تهران
چکیده
در این مقاله به کنترل بهینه ربات زمینی چرخدار غیرهولونومیک براساس کنترل‌کننده LQG پرداخته شده است. به‌دلیل غیرخطی بودن معادلات سینماتیکی حاکم بر این ربات‌ها، کنترلگرهای غیرخطی نقش مهمی را در کنترل آن‌ها برعهده دارد. در این مقاله پارامترهای معادلات سینماتیکی حاکم به کمک روش‌های شناسایی سیستم‌ها و براساس داده‌های آزمایش استخراج شده است. مدل‌های گسسته خطی در پارامتر در نظر گرفته شده و مرتبه بهینه‌ی مدل و کارایی مدل با کمک آزمون‌های آماری بدست آورده ‌شده است. پارامترهای مدل با روش حداقل مربعات (LS) و نحوه همگرایی پارامترهای مدل با روش حداقل مربعات بازگشتی (RLS) با ضریب فراموشی تخمین زده شده‌اند. با استخراج و صحت‌سنجی مدل گسسته خطی با داده‌های آزمایش عملی، امکان طراحی کنترلگرهای خطی میسر گردیده‌اند. بدین منظور کنترلگر بهینه LQG برای ردیابی مسیر هدف توسط ربات زمینی چرخدار طراحی شده که در آن با کمک تخمین‌گر کالمن، امکان تخمین بخشی از متغیرهای حالت که در دسترس نبوده‌اند، میسر گردیده است. به‌کارگیری کنترلگر خطی بهینه به همراه شناسایی سیستم، موجب سادگی و کاهش حجم محاسبات در مقایسه با کنترلگرهای غیرخطی گردیده است. در نهایت کنترلگر طراحی‌شده در محیط نرم‌افزار متلب- سیمولینک شبیه‌سازی شده است و نتایج نشان‌دهنده کارایی مناسب کنترلگر در ردیابی مسیر مطلوب می‌باشد.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Optimal Control of Non-holonomic Wheeled Mobile Robot Using Linear Quadratic Gaussian Controller

نویسندگان English

Payam Nourizadeh 1
Aghil Yousefi Koma 2
Moosa Ayati 3
1 Center of Advanced Systems and Technologies (CAST), School of Mechanical Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
3 Advanced Instrumentation Lab, School of Mechanical Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده English

In this paper, designing optimal linear controller for non-holonomic wheeled mobile robots based on Linear Quadratic Gaussian (LQG) controller is considered. Parameters of the governing kinematics equation of motion are derived based on system identification techniques by using real experimental data. The autoregressive moving average-exogenous input (ARMAX) models are taken into account. The least square (LS) algorithm is utilized to estimate the parameters of the model. Thereafter, optimal model order and the performance of the model are determined using several statistical analyses. Also, the recursive LS (RLS) with forgetting factor is employed to demonstrate the convergence of the model parameters. Verification of discrete linear model implies the possibility of using the linear controllers. Therefore, the optimal LQG controller for wheeled mobile robots is designed to track the reference trajectory. The Kalman observer is used to estimate un-measurable states of the robot. Furthermore, the optimal linear control together with system identification techniques yields simpler controller than nonlinear controllers. Designed controller and verified model are simulated using the MATLAB-Simulink software. Results show the effectiveness of the controller in tracking the desired reference trajectory.

کلیدواژه‌ها English

Mobile Robot
system identification
Recursive least square
LQG controller
Kalman observer