طراحی کنترل پیش‌بین سینماتیکی و کنترل مقاوم دینامیکی به منظور ردیابی مسیر ربات متحرک چرخ‌دار

روش‌های هوشمند در صنعت برق

مقاله 1، دوره 15، شماره 58، شهریور 1403، صفحه 1-20   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

فهیمه کردی¹؛ حمیدرضا رضاعلیخانی^{* 2}؛ جواد نیکوکار¹

¹دانشکده مهندسی برق- واحد ساوه، دانشگاه آزاد اسلامی، ساوه، ایران

²دانشکده مهندسی برق- دانشگاه تفرش، تفرش، ایران

چکیده

در این مقاله به بررسی یک کنترل‌کننده ترکیبی برای روبات‌های متحرک چرخ‌دار در حضور اغتشاش خارجی و عدم قطعیت پارامتری خواهیم پرداخت. مدل‌های ربات شامل معادلات سینماتیکی و دینامیکی حرکت است. ربات متحرک چرخ‌دار به‌منظور دستیابی به موقعیت‌ نهایی باید به نحوی کنترل گردد که بتواند یک مسیر مرجع را دنبال نماید. در بسیاری از تحقیقات انجام‌ شده معمولاً از یک استراتژی کنترل حرکتی برای ربات متحرک استفاده می‌شود. در این مطالعه، استراتژی کنترل پیشنهادی دارای دو مرحله شامل کنترل سینماتیکی و کنترل دینامیکی است. در این راستا، ابتدا پس از معرفی مدل سینماتیکی ربات، یک کنترل‌کننده پیش‌بین برای این قسمت طراحی و اثبات خواهد شد. سپس، بر اساس مدل دینامیکی غیرخطی ربات، یک کنترل‌کننده دینامیکی مود لغزشی تطبیقی معرفی می‌شود تا اغتشاشات را به‌صورت آنلاین تخمین زده، بهره کنترل را به‌طور خودکار تنظیم و پدیده‌ چترینگ را به‌طور کامل حذف نماید. در ادامه، تجزیه‌ و تحلیل و اثبات طرح پیشنهادی با استفاده از نظریه پایداری لیاپانوف انجام شده است. بر اساس قانون کنترل تطبیقی پیشنهادی، همگرایی بهینه و عملکرد ردیابی همه سیگنال‌ها تضمین شده و خطاهای ردیابی می‌توانند به‌طور دلخواه در زمان محدود به مبدأ همگرا شوند. نتایج شبیه‌سازی برای نشان دادن اثربخشی طرح پیشنهادی با استفاده از نرم‌افزار متلب انجام شده است.

کلیدواژه‌ها

ربات متحرک چرخ‌دار؛ ردیابی مسیر؛ کنترل مودلغزشی تطبیقی؛ کنترل‌کننده ترکیبی؛ مدل سینماتیکی و دینامیکی

مراجع

[1] Y. Koubaa, M. Boukattaya, T. Damak, "Adaptive sliding mode control for trajectory tracking of nonholonomic mobile robot with uncertain kinematics and dynamics", Applied Artificial Intelligence, vol. 32, no. 9-10, pp. 924-938, Sept. 2018 (doi.org/10.1080/08839514.2018.1519100).

[2] S. Peng, W. Shi, "Adaptive fuzzy output feedback control of a nonholonomic wheeled mobile robot", IEEE Access, vol. 6, pp. 43414-43424, Aug. 2018 (doi: 10.1109/ACCESS.2018.2862163).

[3] A. J. Muñoz-Vázquez, V. Parra-Vega, A. Sánchez-Orta, J.D. Sánchez-Torres, "Adaptive fuzzy velocity field control for navigation of nonholonomic mobile robots", Journal of Intelligent and Robotic Systems, vol. 101, no. 2, pp. 1-12, Dec. 2021 (doi: 10.1007/s10846-020-01306-w).

[4] A.V. Savkin, T.M. Cheng, Z. Xi, F. Javed, A.S. Matveev, H. Nguyen, "Decentralized coverage control problems for mobile robotic sensor and actuator networks", John Wiley and Sons, July 2015 (ISBN: 978-1-119-05816-8).

[5] S. Wang, J. Zhai, "A trajectory tracking method for wheeled mobile robots based on disturbance obse­rver", International Journal of Control, Automation and Systems, vol. 18, no. 8, pp. 21, 65-2169, Oct. 2019 (doi: 10.1007/s12555-019-0156-8).

[6] J. Wang, L. Zhao, L. Yu, "Reduced-order generalized proportional integral observer based continuous dynamic sliding mode control for magnetic levitation system with time-varying disturbances", Internati­onal Journal of Control, Automation and Systems, vol. 19, no. 1, pp. 439-448, April 2021 (soi: 10.10­07/s­1255­5-019-0387-8).

[7] Z. Chen, Y. Liu, W. He, H. Qiao, H. Ji, "Adaptive-neural-network-based trajectory tracking control for a nonholonomic wheeled mobile robot with velocity constraints", IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 68, no. 6, pp. 5057-5067, June 2020 (doi: 10.1109/TIE.2020.2989711).

[8] X. Wu, P. Jin, T. Zou, Z. Qi, H. Xiao, P. Lou, "Backstepping trajectory tracking based on fuzzy sliding mode control for differential mobile robots", Journal of Intelligent and Robotic Systems, vol. 96, no. 1, pp. 109-121, Jan. 2019 (doi: 10.1007/s10846-019-00980-9).

[9] Y. Cheng, R. Jia, H. Du, G. Wen, W. Zhu, "Robust finite‐time consensus formation control for multiple nonholonomic wheeled mobile robots via output feedback", International Journal of Robust and Nonlinear Control, vol. 28, no. 6, pp. 2082-2096, April 2018 (doi: 10.1002/rnc.4002).

[10] M. Boukattaya, N. Mezghani, T. Damak, "Adaptive nonsingular fast terminal sliding-mode control for the tracking problem of uncertain dynamical systems", ISA Transactions, vol. 77, pp. 1-19, April 2018 (doi: 10.1016/j.isatra.2018.04.007).

[11] N. Ali, I. Tawiah, W. Zhang, "Finite-time extended state observer based nonsingular fast terminal sliding mode control of autonomous underwater vehicles", Ocean Engineering, vol. 218, Article Number: 108179, Sept. 2020 (doi: 10.1016/j.oceaneng.2020.108179).

[12] Q. Cao, Z. Sun, Y. Xia, L. Dai, "Self-triggered MPC for trajectory tracking of unicycle-type robots with external disturbance", Journal of the Franklin Institute, vol. 356, no. 11, pp. 5593-5610, Mar. 2019 (doi: 10.1016/j.jfranklin.2019.03.015).

[13] X. Liu, W. Wang, X. Li, F. Liu, Z. He, Y. Yao, H. Ruan, T. Zhang, "MPC-based high-speed trajectory tracking for 4WIS robot", ISA Transactions, vol. 123, pp. 413-424, April 2022 (doi: 10.1016/j.i­sa­tra.2­021.05.018).

[14] D. Liu, M. Tang, J. Fu, "Robust adaptive trajectory tracking for wheeled mobile robots based on Gaussian process regression", Systems and Control Letters, vol. 163, Article Number: 105210, April 2022 (doi: 10.1016/j.sysconle.2022.105210).

[15] K. Shojaei, "A prescribed performance PID control of robotic cars with only posture measurements considering path curvature", European Journal of Control, vol. 65, Article Number: 100616, Jan. 2022 (doi: 10.1016/j.ejcon.2022.100616).

[16] T. Ding, Y. Zhang, G. Ma, Z. Cao, X. Zhao, B. Tao, "Trajectory tracking of redundantly actuated mob­ile robot by MPC velocity control under steering strategy constraint", Mechatronics, vol. 84, Article Number: 102779, Feb. 2022 (doi: 10.1016/j.mechatronics.2022.102779).

[17] J. Huang, C. Wen, W. Wang, Z.P. Jiang, "Adaptive stabilization and tracking control of a nonholonomic mobile robot with input saturation and disturbance", Systems and Control Letters, vol. 62, no. 3, pp. 234-241, Nov. 2013 (doi: 10.1016/j.sysconle.2012.11.020).

[18] H. Yang, M. Guo, Y. Xia, Z. Sun, "Dual closed‐loop tracking control for wheeled mobile robots via active disturbance rejection control and model predictive control", International Journal of Robust and Nonlinear Control, vol. 30, no. 1, pp. 80-99, Oct. 2020 (doi: 10.1002/rnc.4750).

[19] F. Korkmaz, "Performance improvement of induction motor drives with model-based predictive torque control", Turkish Journal of Electrical Engineering and Computer Science, vol. 28, no. 1, pp. 525-539, Jan. 2020 (doi: 10.3906/elk-1804-124).

[20] P. Wang, X. Feng, W. Li, X. Ping, W. Yu, "Robust RHC for wheeled vehicles with bounded disturbances", International Journal of Robust and Nonlinear Control, vol. 29, no. 7, pp. 2063-2081, Jan. 2019 (doi: 10.1002/rnc.4478).

[21] Z. Wu, F. Albalawi, Z. Zhang, J. Zhang, H. Durand, P. D. Christofides, "Control Lyapunov-Barrier function-based model predictive control of nonlinear systems", Automatica, vol. 109, Article Number: 10850, June 2019 (doi: 10.1016/j.automatica.2019.108508).

[22] H. Yang, M. Guo, Y. Xia, L. Cheng, "Trajectory tracking for wheeled mobile robots via model predictive control with softening constraints", IET Control Theory & Applications, vol. 12, no. 2, pp. 206-214, Jan. 2018 (doi: 10.1049/iet-cta.2017.0395).

[23] Z. Sun, L. Dai, Y. Xia, K. Liu, "Event-based model predictive tracking control of nonholonomic systems with coupled input constraint and bounded disturbances", IEEE Trans. on Automatic Control, vol. 63, no. 2, pp. 608-615, Feb. 2017 (doi: 10.1109/TAC.2017.2736518).

[24] H. Pan, G. Zhang, H. Ouyang, L. Mei, "A novel global fast terminal sliding mode control scheme for second-order systems", IEEE Access, vol. 8, pp. 22758-22769, Jan. 2020 (doi: 10.110­9/ACCE­SS.2­02­0.2969­665).

[25] T. Das, I. Kar, S. Chaudhury, "Simple neuron-based adaptive controller for a nonholonomic mobile robot including actuator dynamics", Neurocomputing, vol. 69, no. 16-18, pp. 2140-2151, Feb. 2006 (doi: 10.10­16/j.neu­com.2005.09.013).

[26] J.C. Alexander, J.H. Maddocks, "On the kinematics of wheeled mobile robots", The International Journal of Robotics Research, vol. 8, no. 5, pp. 15-27, Oct. 1989 (doi: 10.1177/027836498900800502).

[27] M. Asif, M.J. Khan, N. Cai, "Adaptive sliding mode dynamic controller with integrator in the loop for nonholonomic wheeled mobile robot trajectory tracking", International Journal of Control, vol. 87, no. 5, pp. 964-975, Dec. 2013 (doi: 10.1080/00207179.2013.862597).

[28] P. N. Dao, H. Q. Nguyen, T.L. Nguyen, X.S. Mai, "Finite horizon robust nonlinear model predictive control for wheeled mobile robots", Mathematical Problems in Engineering, vol. 21, no. 3, pp. 21-28, Jan. 2021 (doi: 10.1155/2021/6611992).

[29] H. Zhang, B. Li, B. Xiao, Y. Yang, J. Ling, "Nonsingular recursive-structure sliding mode control for high-order nonlinear systems and an application in a wheeled mobile robot", ISA Transactions, vol. 127, pp. 206-215, April. 2022 (doi: 10.1016/j.isatra.2022.04.021).

[30] Z. Zhu, Y. Xia, M. Fu, "Attitude stabilization of rigid spacecraft with finite‐time convergence", International Journal of Robust and Nonlinear Control, vol. 21, no. 6, pp. 686-702, Feb. 2011 (doi: 10.1002/rnc.1624).