کنترل عصبی مقاوم تطبیقی زمان‌محدود ربات متحرک چرخ‌دار تراکتور- تریلر با استفاده از تکنیک خطی‌سازی فیدبک ورودی- خروجی

روش‌های هوشمند در صنعت برق

مقاله 1، دوره 11، شماره 42، مرداد 1399، صفحه 57-78   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

ملیحه کاظمی پور¹؛ خوشنام شجاعی^{* 2}

¹دانشکده مهندسی برق- واحد نجف آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف آباد، ایران

²مرکز تحقیقات پردازش دیجیتال و بینایی ماشین- واحد نجف‌آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، ایران

چکیده

مسئله ردیابی مسیرهای زمانی مرجع یکی از مسائل مهم و مورد توجه در زمینه کنترل ربات­های متحرک چرخ­دار به شمار می­رود. در این مقاله، مسئله کنترل ردیابی مسیر زمانی مرجع در حضور نامعینی­های ساختاری، قیود غیرهولونومیک و اغتشاشات خارجی برای ربات متحرک چرخ‌دار تراکتور-تریلر، تا حد قابل توجهی حل شده است. طرح پیشنهادی بر این اساس است که ابتدا معادلات فضای حالت تراکتور-تریلر از معادلات دینامیک و سینماتیک آن استخراج و به یک فرم همبسته بیان شده است. در ادامه، با در نظرگرفتن معادلاتفضای حالت سیستم، الگوریتم کنترلی مورد نظر متشکل از دو حلقه کنترلی خارجی و داخلی ارائه شده است، به این ترتیب که ابتدا با انجام خطی­سازی فیدبک ورودی-خروجی، قانون کنترل در حلقه داخلی به فرم فیدبک غیرخطی تولید شده است که این الگوریتم به طور پیوسته، حذف دینامیک­های غیرخطی سیستم را بر عهده دارد. سپس، با استفاده از ترکیب خروجی تولید شده در مرحله خطی­سازی با الگوریتم کنترلی مد لغزشی ترمینال و طراحی یک کنترل­کننده عصبی مقاوم تطبیقی زمان­محدود در حلقه خارجی، عملکرد صحیح و سریع سیستم حلقه­بسته در حضور نامعینی­ها تضمین شده‌ است. الگوریتم کنترلی پیشنهادی درنهایت، کران­داری سیگنال­های حلقه­بسته و همگرایی دقیق خطای ردیابی در زمان­محدود را تضمین نموده است. در پایان، میزان اثربخشی طرح پیشنهادی، از طریق تئوری لیاپانوف تعمیم­یافته و شبیه­سازی با استفاده از نرم‌افزار متلب اثبات و ارائه شده است.

کلیدواژه‌ها

قیود غیرهولونومیک؛ ربات متحرک تراکتور- تریلر؛ کنترل عصبی مقاوم تطبیقی؛ خطی سازی فیدبک؛ کنترل زمان-محدود

مراجع

[1] G. Campion, G. Bastin, B. Dandrea Novel, "Structural properties and classification of kinematic and dynamic models of wheeled mobile robots", IEEE Trans. on Robotics and Automation, vol. 12, no. 1, pp. 47-62, Feb. 1996 (doi: 10.1109/70.481750).

[2] K. Do, "Bounded controllers for global path tracking control of unicycle-type mobile robots", Robotics and Autonomous Systems, vol. 61, no. 8, pp. 775–784, Aug. 2013 (doi: 10.1016/j.robot.2013.04.014).

[3] K. Shojaei, " Neural adaptive PID formation control of car-like mobile robots without velocity measurements ", Advanced Robotics, vol. 31, no. 18, pp. 947-964, Sep. 2017 (doi: 10.1080/01691864.2017.1368413).

[4] Y. Qiu, B. Li, W. Shi, X. Zhang, "Visual servo tracking of wheeled mobile robots with unknown fxtrinsic parameters", IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 66, no. 11, pp. 8600-8609, Nov 2019, (doi: 10.1109-/TIE.2019.2891407).

[5] W. Abbasi, FU. Rehman, I. Shah, A. Rauf, "Stabilizing control algorithm for nonholonomic wheeled mobile robots using adaptive integral sliding mode", International Journal of Robotics and Automation, vol. 34, no. 1, pp. 1-8, Jan 2019 (doi: 10.2316/J.2019.206-4803).

[6] M. Chen, "Disturbance attenuation tracking control for wheeled mobile robots with skidding and slipping", IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 64, no. 4, pp. 3359–3368, April 2017 (doi: 10.1109/TIE.2016.261-3839).

[7] Z. Wang, L. Wang, H. Zhang, L. Vlacic, Q. Chen, "Distributed formation control of nonholonomic wheeled mobile robots subject to longitudinal slippage constraints", IEEE Trans. on Systems, Man, and Cybernetics: Systems, Jun. 2019 doi: (10.1109/TSMC.2019.2911975).

[8] LN. Tan, "Event-triggered distributed H∞ control of physically interconnected mobile Euler–Lagrange systems with slipping, skidding and dead zone", IET Control Theory & Applications, vol. 14, no. 1, pp. 438 – 451, Feb 2020 (doi: 10.1049/iet-cta.2019.0409).

[9] Y-W. Lin, R-J. Wai, "Design of adaptive moving-target tracking control for vision-based mobile robot", Proceeding of the IEEE/CICA, pp. 194-199, Singapore, April 2013 (doi: 10.1109/CICA.2013.6611684).

[10] M. Cui, H. Liu, W. Liu, Y. Qin, "T an adaptive unscented kalman filter-based controller for simultaneous obstacle avoidance and tracking of wheeled mobile robots with unknown slipping parameters", Journal of Intelligent & Robotic Systems, vol. 92, no. 1, pp. 489-504, Dec. 2018 (doi: 10.1007/s10846-017-0761-9).

[11] S. Tong, B. Huo, and Y. Li, "Observer-based adaptive decentralized fuzzy fault-tolerant control of nonlinear large-scale systems with actuator failures", IEEE Trans. on Fuzzy Systems, vol. 22, no. 1, pp. 1–15, Feb. 2014 (doi: 10.1109/TFUZZ.2013.2241770).

[12] N. Nikdel, S. Ghaemi, "Tracking control of nonholonomic mobile robot based on neural networks and feed-back linearization", International Journal on Technical and Physical Problems of Engineering, vol. 5, pp. 118-123, 2013.

[13] NT. Binh, NA. Tung, DP. Nam, NH. Quang, "An adaptive backstepping trajectory tracking control of a tractor trailer wheeled mobile robot", International Journal of Control, vol. 17, no. 1, pp. 465–473, Feb. 2019 (doi: 10.1007/s12555-017-0711-0).

[14] M. Falsafi, K. Alipour, B. Tarvirdizadeh, ''Fuzzy motion control for wheeled mobile robots in real-time'', Journal of Computational & Applied Research in Mechanical Engineering, vol. 8, no. 2, pp. 133-144, Feb. 2019 (doi: 10.22061/jcarme.2018.2204.1205).

[15] W. Shi, M. Zhang, W. Guo, L. Guo, "Stable adaptive fuzzy control for MIMO nonlinear systems", Computers and Mathematics with Applications, vol. 62, no. 7, pp. 2843-2853, Oct. 2012 (doi: 10.1016/j.camwa.2011.0-7.050).

[16] K. Xia, H. Gao, L. Ding, G. Liu, Z. Deng, ''Trajectory tracking control of wheeled mobile manipulator based on fuzzy neural network and extended Kalman filtering", Neural Computing and Applications, vol. 30, no. 2, pp. 447-462, Jul. 2018 (doi: 10.1007/s00521-016-2643-7).

[17] H. Chang, Q. Meng, "Trajectory tracking control of nonholonomic wheeled mobile robots", Proceeding of the IEEE/ICINFA, pp. 688-692, Harbin, June 2010 (doi: 10.1109/ICINFA.2010.5512422).

[18] F. Pourboghrate, M.P. Karlsson, "Adaptive control of dynamic mobile robots with nonholonomic constraints",

57-78/ نشریه روشهای هوشمند در صنعت برق/ سال یازدهم/ شماره چهل و دو/ تابستان 1399

)77(

computers and electrical engineering, vol. 28, no. 4, pp. 241-250, July 2002 (doi: 10.1016/S0045-7906(00)00-053-7).

[19] F. N, Martins, et al., ''An Adaptive dynamic controller for autonomous mobile robot trajectory tracking'', Control Engineering Practice, vol. 16, no. 11, pp. 1354 –1363, Nov. 2008 (doi: 10.1016/j.conengprac.2008.0-3.004).

[20] K. Shojaei, A. M. Shahri, B. Tabibian, ''Design and implementation of an inverse dynamics controller for uncertain nonholonomic robotic systems'', Journal of Intelligent and Robotic Systems, vol. 71, no. 1, pp. 65-83, Jul. 2013 (doi: 10.1007/s10846-012-9762-x).

[21] Sh. Yu, X.Yu, B. Shirinzadeh, Zh. Man, "Continuous finite-time control for robotic manipulators with terminal sliding mode", Automatica, vol. 41, no. 11, pp. 1957-1964, Nov. 2005 (doi: 10.1016/j.automatica.20-05.07.001).

[22] D. Zhao, Sh .Li, F. Gao, "A new terminal sliding mode control for robotic manipulators", International Journal of Control, vol. 82, no. 10, pp. 1804–1813, Aug. 2009 (doi: 10.1080/00207170902769928).

[23] M. Cai, Z. Xiang, J. Guo, "Adaptive finite-time control for uncertain nonlinear systems with application to mechanical systems", Nonlinear Dynamics, vol. 84, no. 2, pp. 943–958, April 2016 (doi: 10.1007/s11071-015-2541-z).

[24] L. Xin, Q. Wang, J. She, Y. Li, "Robust adaptive tracking control of wheeled mobile robot", Robotics and Autonomous Systems, vol. 78, no. 1, pp. 36–48, April 2016 (doi: 10.1016/j.robot.2016.01.002).

[25] Sh. Peng, W. Shi, "Adaptive fuzzy integral terminal sliding mode control of a nonholonomic wheeled mobile robot", Mathematical Problems in Engineering, vol. 84, no. 2, pp. 1-12, 2017 (doi: 10.1155/2017/3671846).

[26] M. Vijay, D .Jena, "Backstepping terminal sliding mode control of robot manipulator using radial basis functional neural networks", Computers & Electrical Engineering, vol. 29, no. 1, pp. 690–707, April 2018 (doi: 10.1016/j.compeleceng.2017.11.007).

[27] A. Keymasi Khalaji, and S. A. A. Moosavian, "Robust adaptive controller for a tractor–trailer mobile robot", IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 19, no. 3, pp. 943-953, Jun. 2014 (doi: 10.1109/TMECH.20-13.2261534).

[28] K. Shojaei, "Neural network formation control of a team of tractor–trailer systems," Robotica, vol. 36, no.1, pp. 39-56, Jan. 2018 (doi: 10.1017/S0263574717000145).

[29] D. Wang, G. Xu, ''Full-State tracking and internal dynamics of nonholonomic wheeled mobile robots,'' IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 8, no. 2, pp. 1083-4435, Jun. 2003 (doi: 10.1109/TMECH2-003.812832).

[30] M. Galicki, "Finite-time control of robotic manipulators", Automatica, vol. 51, no. 2, pp. 49–54, Jan. 2015 (doi: 10.1016/j.automatica.2014.10.089).

[31] M. Cai, Z. Xiang, Jian. Guo, "Adaptive finite-time consensus protocols for multi-agent systems by using neural networks", IET Control Theory & Applications, vol. 10, no. 4, pp. 371-380, Feb. 2016 (doi: 10.1049/iet-cta.2015.0915).

[32] H. Khalil, Nonlinear systems, Englewood cliffs, third edition, Prentice Hall, 2002.

[33] A. Keymasi Khalaji, S.A.A. Moosavian, “Design and implementation of a fuzzy sliding mode control law for a wheeled robot towing a trailer”, Modares Mechanical Engineering, vol. 14, no. 4, pp.81-88, 2014 (In Persian).

[34] K. Shojaei, “Neural adaptive output feedback formation control of type (m,s) wheeled mobile robots,” IET Control Theory and Applications, vol. 11, no. 4, pp. 504-515, March 2017 (doi: 10.1049/iet-cta.2016.0952).

[35] K. Shojaei, “Saturated output feedback control of uncertain nonholonomic wheeled mobile robots,” Robotica, vol. 33, pp. 87-105, Jan. 2015 (doi: 10.1017/S0263574714000046).

[36] K. Shojaei, “Three-dimensional neural network tracking control of a moving target by underactuated autonomous underwater vehicles”, Neural Computing and Applications, vol. 31, no. 2, pp. 509-521, Feb. 2019

(doi: 10.1007/s00521-017-3085-6).