Modelagem e compensação da dinâmica de robôs móveis e sua aplicação em controle de formação
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Data
2009-03-06
Autores
Martins, Felipe Nascimento
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Editor
Universidade Federal do Espírito Santo
Resumo
A new dynamic modeling approach for unicycle-like mobile robots is proposed, which is applied in the design of controllers for this type of robot. The dynamic model thus generated accepts linear and angular velocities as inputs, which is usual in commercial robots. Some of its properties are studied and proved, and are then used in the design of adaptive controllers that compensate for the robot dynamics while tracking a desired trajectory, following a leader or being part of a group in formation control problems. The Lyapunov theory is used on the stability analysis of the equilibrium in every case. A robustness analysis considering possible parameter variation and non-modeled disturbance is also performed. The influence of the dynamic compensation is studied, and its importance is illustrated by a performance index measured for both simulation and experimentation. Three formation control strategies with dynamic compensation are presented: one is a decentralized leader-follower control, and the other two are centralized virtual structure control. A Multi-Layer Scheme for formation control is here presented using one of the centralized formation control strategies. Such scheme is flexible in the sense that each part of the formation control problem is solved by an independent module. The proposed formation controller is capable of making the robots achieve a fixed desired formation, and to follow a desired formation having time-varying position and shape. The influence of the dynamic compensation on this formation control scheme is analyzed and illustrated through both simulation and experimental results.
Una propuesta de modelado de la dinámica de robots móviles tipo uniciclo es presentadan y utilizada en el diseño de controladores para dichos robots, incluso en el contexto de control de formación. La dinámica de los robots móviles es modelada de una nueva manera, basada en un modelo din´amico que acepta se˜nales de velocidades lineal y angular como entradas. El nuevo modelo din´amico presentado tiene sus propiedades estudiadas y posteriormente utilizadas en el desarrollo de controladores adaptables, para compensar los efectos de la dinámica de robots móviles cuando realizan tareas de seguimiento de trayectoria, posicionamiento y control de formación. La teoría de Lyapunov es utilizada para analizar la estabilidad del equilibrio en cada caso, y un análisis de robustez muestra que la estabilidad es garantizada tambi´en cuando hay variación de par´ametros y perturbaciones no modeladas. La influencia de la compensación dinámica es estudiada, y su importancia evidenciada a través del cálculo de un ´ındice de desempe˜no obtenido en simulaciones y experimentos. Tres estrategias de control de formación con compensación dinámica son presentadas. Una de ellas es de control descentralizado tipo líder-seguidor y las otras dos son de control centralizado tipo estructuras virtuales. Una de las estrategias de control centralizado es aqu´ı propuesta. También es presentado el desarrollo del Esquema de Control Multi-Capas, que permite que cada parte del problema de control de formación sea solucionado por un módulo independiente, lo que aumenta su flexibilidad. Se propone un controlador de formaci´on que posiciona los robots en una formación fija o variable, en posición o en forma. Dicho controlador permite enfatizar la importancia del control del posicionamiento o de la forma de la estructura virtual. La influencia de la compensaci´on dinámica en dicho sistema es analizada e ilustrada por resultados de simulación y también de experimentos.
Una propuesta de modelado de la dinámica de robots móviles tipo uniciclo es presentadan y utilizada en el diseño de controladores para dichos robots, incluso en el contexto de control de formación. La dinámica de los robots móviles es modelada de una nueva manera, basada en un modelo din´amico que acepta se˜nales de velocidades lineal y angular como entradas. El nuevo modelo din´amico presentado tiene sus propiedades estudiadas y posteriormente utilizadas en el desarrollo de controladores adaptables, para compensar los efectos de la dinámica de robots móviles cuando realizan tareas de seguimiento de trayectoria, posicionamiento y control de formación. La teoría de Lyapunov es utilizada para analizar la estabilidad del equilibrio en cada caso, y un análisis de robustez muestra que la estabilidad es garantizada tambi´en cuando hay variación de par´ametros y perturbaciones no modeladas. La influencia de la compensación dinámica es estudiada, y su importancia evidenciada a través del cálculo de un ´ındice de desempe˜no obtenido en simulaciones y experimentos. Tres estrategias de control de formación con compensación dinámica son presentadas. Una de ellas es de control descentralizado tipo líder-seguidor y las otras dos son de control centralizado tipo estructuras virtuales. Una de las estrategias de control centralizado es aqu´ı propuesta. También es presentado el desarrollo del Esquema de Control Multi-Capas, que permite que cada parte del problema de control de formación sea solucionado por un módulo independiente, lo que aumenta su flexibilidad. Se propone un controlador de formaci´on que posiciona los robots en una formación fija o variable, en posición o en forma. Dicho controlador permite enfatizar la importancia del control del posicionamiento o de la forma de la estructura virtual. La influencia de la compensaci´on dinámica en dicho sistema es analizada e ilustrada por resultados de simulación y también de experimentos.
Descrição
Palavras-chave
Modelo dinâmico , Controle de Formação , Robôs Móveis Autônomo