ردیابی مسیر زمانی ربات چرخ‌دار با استفاده از روش‌های غیرخطی پسگام و مد لغزشی

نوع مقاله : گرایش ساخت و تولید

نویسنده

دانشکده برق دانشگاه هوایی شهید ستاری

چکیده

ربات‌ پایه متحرک چرخ‌دار با رانش تفاضلی، متشکل از دو چرخ فعال مستقل و یک چرخ کروی غیرفعال است. این ربات با فرض غلتش خالص چرخ‌ها و عدم لغزش، سامانه­ی غیرخطی و مقید به قیود غیرهولونومیک است. همچنین این سامانه در دسته سامانه­های با کمبود عملگر قرار می‌گیرد. تعقیب مسیر‌های حرکت زمانی، یکی از دشوارترین مسائل در حوزه ربات‌های چرخ‌دار است که در این مقاله به آن می‌پردازیم. در این راستا، ابتدا مدل سینماتیکی سامانه بیان می‌شود که در آن سرعت خطی و سرعت زاویه‌ای ربات، ورودی‌های سامانه در نظر گرفته می‌شوند. پس از تعیین مسیر مرجعی قابل حصول، برای اولین بار کنترل‌کننده پسگامی در دو مرحله طراحی شده است که پایداری تمام متغیرهای حالت سامانه را به صورت سراسری تضمین می‌کند. پس از آن کنترل‌کننده مد لغزشی برای حل مسئله تعقیب مسیرهای حرکت زمانی بر مبنای کنترل ورودی-خروجی طراحی شده است. پایداری این کنترل‌کننده نیز به صورت سراسری اثبات می‌شود. سپس به­منظور ارزیابی و اعتبارسنجی کنترل‌کننده‌های پیشنهادی، مقایسه‌ای با کنترل‌کننده خطی‌سازی پسخور، که روشی قدرتمند است، صورت گرفته است. در پایان صحت و قوام کنترل‌کننده‌های طراحی شده نسبت به اغتشاش با شبیه‌سازی در نرم‌افزار متلب تصدیق می‌شود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Trajectory tracking of a wheeled mobile robot using Backstepping and Sliding mode approaches

نویسنده [English]

  • mohammadreza soltanpor
sattari
چکیده [English]

Differential wheeled mobile robot is constructed from two independent active wheels and a spherical passive wheel. This robot as a result of pure rolling and nonslip conditions of wheels is a nonlinear system subjected to nonholonomic constraints. In addition, this system is classified as an underactuated system. Trajectory tracking we have concentrated on is one of the most complicated problems in control of wheeled mobile robots. In the first step a kinematic model in which linear and angular velocity are supposed as system inputs has been presented. Then using a feasible reference trajectory for the first time a novel full state backstepping controller has been designed and unlike previous approaches the stability has been provided fully stated and globally. Next, a sliding mode controller which is based on input-output control theory has been suggested. The proof of stability of this controller has been presented as well. Then a feedback linearization controller as an efficient approach has been proposed with the aim of comparing the performance of the controllers. Finally, integrity and robustness of designed controllers against disturbances have been approved using MATLAB simulation and the obtained results are discussed.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Wheeled Mobile Robot
  • Trajectory Tracking
  • Nonholonomic Constraints
  • Backstepping Control
  • Sliding Mode Control

مراجع

  1. Moosavian, S. A. A., Kalantari, A., Semsarilar, H., Aboosaeedan, E. and Mihankhah, E. “ResQuake: a Tele-Operative Rescue Robot”, J. of mech. des. Vol. 131, No. 8, pp. 081005- 0810016, 2009.##
  2. Russo, S., Harada, K., Ranzani, T., Manfredi, L., Stefanini, C., Menciassi, A. and Dario, P. “Design of a Robotic Module for Autonomous Exploration and Multimode Locomotion”, IEEE/ASME Trans. on Mech. Vol. 18, No. 6, pp. 1757-1766, 2013.##
  3. Campion, G., Bastin, G. and Dandrea-Novel, B. “Structural Properties and Classification of Kinematic and Dynamic Models of Wheeled Mobile Robots”, IEEE trans. on rob. and auto., Vol. 12, No. 1, pp. 47-62, 1996.##
  4. Bidgoli, M. R., Khalaji, A. K. and Moosavian, S. A. “Trajectory Tracking Control of a Wheeled Mobile Robot by a Non-Model-Based Control Algorithm Using PD-Action Filtered Errors”, Mod. Mech. Eng. Vol. 14, No. 12, 2015.##
  5. Keymasi, A. Khalaji, R. and Moosavian, S. A. A. “Adaptive Sliding Mode Control of a Wheeled Mobile Robot Towing a Trailer”, Proc. of the Inst. of Mech. Eng., Part I: J. of Sys. and Cont. Eng. Vol. 229, No. 2, pp. 169-183, 2015.##
  6. Wang, D. and Xu, G. “Full-State Tracking and Internal Dynamics of Nonholonomic Wheeled Mmobile Robots”, IEEE/ASME Trans. on mech.  Vol. 8, No. 2, pp. 203-214, 2003.##
  7. Luca, A. D., Oriolo, G. and Samson, C. “Feedback Control of a Nonholonomic Car-Like Robot”, Springer, Berlin, Heidelberg, Germany, 1998.##
  8. Weiguo, W., Huitang, C. and Yuejuan, W., “Backstepping Design for Path Tracking of Mobile Robots”, in Int. Rob. and Sys. IROS'99. Proc. IEEE/RSJ Int. Conf. USA, 1999.##
  9. Chwa, D., Seo, J. H., Kim, P. and Choi, J. Y. “Sliding Mode tracking Control of Nonholonomic Wheeled Mobile Robots”, Proc. Conf. American. Cont. IEEE. Anchorage, AK, USA, 2002.##
  10. Wang, T. Y., Tsai, C. C. and Pang, J. L. “Nonlinear Regulation and Path Tracking of a Wheeled Mobile Robot in Polar Coordinates”, J. of the Chin. Inst. of Eng., Vol. 28, No. 6, pp. 925-933, 2005.##
  11. Klančar, G. and Škrjanc, I. “Tracking-Error Model-Based Predictive Control for Mobile Robots in Real Time”, Rob. and auto. sys. Vol. 55, No. 6, pp. 460-469, 2007.##
  12. Škrjanc, I. and Klančar, G., “A Comparison of Continuous and Discrete Tracking-Error Model-Based Predictive Control for Mobile Robots”, Rob. and auto. sys. Vol. 87, No. 10, pp. 177-187, 2017.##
  13. Ye, J. “Adaptive Control of Nonlinear PID-Based Analog Neural Networks for a Nonholonomic Mobile Robot”, Neuro. Vol. 71, No. 7, pp. 1561-1565, 2008.##
  14. Fierro, R. and Lewis, F. L., “Control of a Nonholomic Mobile Robot: Backstepping kinematics into dynamics”, J. of Rob. Sys. Vol. 14, No. 3, pp. 149-163, 1997.##
  15. Ye, J. “Tracking Control for Nonholonomic Mobile Robots: Integrating the Analog Neural Network into the Backstepping Technique”, Neuro. Vol. 71, No. 16, pp. 3373-3378, 2008.##
  16. Park, B. S., Yoo, S. J., Park, J. B. and Choi, Y. H. “Adaptive Neural Sliding Mode Control of Nonholonomic Wheeled Mobile Robots with Model Uncertainty”, IEEE Trans. on Cont. Sys. Tech. Vol. 17, No. 1, pp. 207-214, 2009.##
  17. Das, T. and Kar, I. N. “Design and Implementation of an Adaptive Fuzzy Logic-Based Controller for Wheeled Mobile Robots”, IEEE Trans. on Cont. Sys. Tech. Vol. 14, No. 3, pp. 501-510, 2006.##
  18. Martins, F. N., Celeste, W. C., Carelli, Sarcinelli-Filho, R., M. and Bastos-Filho, T. F. “An Adaptive Dynamic Controller for Autonomous Mobile Robot Trajectory Tracking”, Cont. Eng. Prac. Vol. 16, No. 11, pp. 1354-1363, 2008.##
  19. Chen, C. Y., Li, T. H. S., Yeh, Y. C. and Chang, C. C., “Design and Implementation of an Adaptive Sliding-Mode Dynamic Controller for Wheeled Mobile Robots”, Mech. Vol. 19, No. 2, pp. 156-166, 2009.##
  20. Khalaji, A. K. and Moosavian, S. A. A. “Robust Adaptive Controller for a Tractor–Trailer Mobile Robot”, IEEE/ASME Trans. on Mech. Vol. 19, No. 3, pp. 943-953, 2014.##
  21. Sangdani, M. H. and Tavakolpour-Saleh, A. R. “Modeling and Control of a Vision-Based Target Tracker Robot with Active Force Control Capability”, Aero. Mech. J. Vol. 13, No. 4, pp. 89-98, 2017.##
  22. Khalaji, A. K. and Moosavian, S. A. A., “Design and Implementation of a Fuzzy Sliding Mode Control Law for a Wheeled Robot Towing a Trailer”, Mod. Mech. Eng. Vol. 14, No. 4, pp. 81-88, 2014.##
  23. Olfati, R. S. “Global Configuration Stabilization for the VTOL Aircraft with Strong Input Coupling”, IEEE trans. on Auto. Cont. Vol. 47, No. 11, pp. 1949-1952, 2002.##

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 07 تیر 1397
  • تاریخ بازنگری: 09 مرداد 1398
  • تاریخ پذیرش: 13 اسفند 1397
  • تاریخ انتشار: 01 فروردین 1399

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار