EN Motion algorithmization for mobile robots subject to state and input constraints in context of the VFO methodology

polski

PL W niniejszej rozprawie zaprezentowano wyniki teoretyczne, symulacyjne oraz eksperymentalne dotyczące nowych metod algorytmizacji (tj. planowania i realizacji) ruchu wybranych kołowych robotów mobilnych. W metodach tych wykorzystano techniki planowania ruchu oraz algorytmy sterowania w układzie ze sprzężeniem zwrotnym, które są ze sobą ściśle połączone w celu zapewnienia odpornej realizacji ruchu. Proponowane metody algorytmizacji opracowano dla generycznego modelu kinematycznego w postaci monocykla z dodatkowo narzuconym ograniczeniem krzywizny ruchu. Rozpatrzono także występowanie ograniczonych amplitud sygnałów sterujących, ograniczenia monotoniczności ruchu (tj. wymuszony znak prędkości postępowej robota) oraz ograniczenia stanu wynikające z obecności przeszkód w środowisku ruchu robota i ograniczonej powierzchni tego środowiska. Następnie rozszerzono wprowadzone metody, aby zapewnić algorytmizację ruchu samochodu kinematycznego z ograniczonymi sygnałami sterującymi i ograniczonym kątem skręcenia koła skrętnego. W odróżnieniu od wielu podejść spotykanych w literaturze, zaproponowano metody algorytmizacji, w których techniki sterowania i planowania ruchu są ze sobą łączone już na etapie projektowania. To podejście zaowocowało nowymi algorytmami planowania, których działanie jest motywowane sterowaniem. Algorytmy te wykorzystują informacje o dodatnio niezmienniczych tunelach zbieżności wyznaczonych dla układu zamkniętego z prawem sterowania VFO (z ang. \emph{Vector Field Orientation}) stosowanym w proponowanych metodach algorytmizacji ruchu. Podczas projektowania tych algorytmów planowania wykorzystano również szereg korzystnych własności układu zamkniętego z prawem sterowania VFO, które pozwalają na weryfikację spełnienia ograniczeń w ciągłej dziedzinie czasu i w ciągłej dziedzinie konfiguracji robota. Na potrzeby proponowanych metod algorytmizacji, dokonano także modyfikacji w prawach sterowania VFO dla przejazdu przez zbiór punktów i odtwarzania ścieżki. Modyfikacje te zapewniają spełnienie wspomnianych ograniczeń stanu i sygnałów sterujących podczas procesu sterowania. Zmodyfikowane prawa sterowania VFO współpracujące z dedykowanymi (motywowanymi procesem sterowania) algorytmami planowania składają się na metody algorytmizacji ruchu, które odporne są na występowanie nienominalnych warunków ruchu dzięki wyznaczonym dodatnio niezmienniczym tunelom zbieżności. W odróżnieniu od wielu znanych podejść, proponowane metody algorytmizacji gwarantują spełnienie ograniczeń stanu i wejść sterujących w ciągłej dziedzinie czasu oraz w ciągłej dziedzinie konfiguracji robota. Efektywność proponowanych metod algorytmizacji została zilustrowana wynikami badań symulacyjnych oraz wynikami eksperymentalnymi uzyskanymi na laboratoryjnym robocie mobilnym. Niski koszt obliczeniowy tych metod algorytmizacji ruchu został potwierdzony wynikami symulacji, podczas których porównano proponowane metody z podejściami znanymi z literatury.

EN This dissertation describes the theoretical, simulation-based, and experimental results concerning the novel motion algorithmization methods (i.e., motion planning and robust motion execution via feedback control) for selected wheeled mobile robots. The proposed motion algorithmization methods comprise tightly integrated motion planning and feedback control techniques. They have been developed for a generic vehicle-body kinematics in the form of a unicycle with an additionally imposed motion curvature constraint. The presence of limited control inputs and state constraints arising from the presence of obstacles in the bounded motion environment has been also considered. The generic motion algorithmization methods have been subsequently extended to handle car-like kinematics with limited control inputs and limited steering angle. Contrary to numerous approaches found in the literature, motion algorithmization methods proposed in this dissertation combine planning and feedback control algorithms at the core of the design process. Such an approach resulted in new controller-driven planning algorithms benefitting from information about evolution of the closed-loop system with the VFO (Vector Field Orientation) control law, which comes in form of positively invariant funnels and specific properties useful in verification of constraints. The aforementioned state and input constraints are guaranteed to be satisfied in continuous time and configuration domains, contrary to many methods known from the literature. For the purposes of motion algorithmization in the presence of state and input constraints, modifications of the VFO control laws for waypoint following and path following have been introduced. Modified VFO control laws combined with dedicated (controller-driven) planning algorithms create motion algorithmization methods, which are robust to nonnominal motion conditions and guarantee satisfaction of constraints in continuous time and configuration domains. Effectiveness of the proposed motion algorithmization methods has been illustrated through simulations and experimental results obtained using a laboratory-scale wheeled mobile robot. The low computational cost of the proposed motion algorithmization methods has been verified by the results of simulations, during which the proposed motion algorithmization methods have been compared with state of the art.

192

nauki inżynieryjne i techniczne

automatyka i robotyka

DrOIN 2011

to2018998122

Pobierz plik

publiczny

Ignacy Dulęba

Poznań, Polska

05.08.2019

polski

Pobierz plik

publiczny

Maciej Trojnacki

Warszawa, Polska

26.07.2019

polski

Pobierz plik

publiczny

rozprawa doktorska

Poznań, Polska

23.09.2019

Rada Wydziału Informatyki Politechniki Poznańskiej

doktor nauk inżynieryjno-technicznych w dyscyplinie: automatyka, elektronika i elektrotechnika, w specjalności: algorytmizacja ruchu robotów mobilnych