Desenvolvimento de protótipo de robô móvel com rodas diferencial para implementação de estratégias de controle de movimento: aplicação da técnica realimentação linearizante
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Data de Publicação: | 2020 |
Tipo de documento: | Dissertação |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do UNIOESTE |
Texto Completo: | http://tede.unioeste.br/handle/tede/5330 |
Resumo: | The mathematical models of Wheeled Mobile Robots (WMRs) are characterized as Nonlinear Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) systems and, depending on the configuration of the robot wheels, it may have nonholonomic constraints. The motion control of the robot, which aims to determine the forces/torques necessary to move the WMR, is developed considering those characteristics of the WMRs, so that the robot performs tasks with the desired performance. The mathematical model of an WMR contains the kinematic equation of its structure and it can also include its dynamic equation, which includes mass and moment of inertia into the mathematical model of the vehicle. One of the approaches used in motion control, and applied in several works, is the feedback linearization, which consists of transforming a nonlinear system, fully or partially, into a linear system through nonliner state feedback. In this work a prototype with open architecture of the Differential Wheeled Mobile Robot (DWMR) is developed, which consists of a mechatronic system, for the implementation and testing of motion control systems. In addition, techniques are applied for the transformation of control signals into signals suitable for the prototype actuators, as well as for obtaining of the state variables using information from the prototype sensors. As one of the contributions of the work, a technique is developed in which, different from most works in the area, the obtainment of the duty cycle related to the PWM signal, used to regulate the voltage applied to the prototype actuators through H-bridge drivers, is performed in function the calculated voltage in the actuators and the angular speed of the wheels measured by sensors. In this work, the Raspberry Pi is adopted as the prototype processing unit and the simulations and practical experiments are performed using Matlab/Simulink tools, which support integration with Raspberry. In order to evaluate the prototype, two control strategies are selected to be tested, both based on feedback linearization. The first control system considers only the DWMR kinematic model and the second, on the other hand, considers both kinematic and dynamic models. The exposed control problem con sists of trajectory tracking. The simulations and tests with the prototype are performed for two different trajectories. The results obtained with the prototype are satisfactory because they have low tracking errors for both control systems implemented. The DWMR built, even in a first version and composed, in part, of common devices and algorithms, proves to be quite viable for the implementation and testing of motion control strategies of WMRs. |
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The motion control of the robot, which aims to determine the forces/torques necessary to move the WMR, is developed considering those characteristics of the WMRs, so that the robot performs tasks with the desired performance. The mathematical model of an WMR contains the kinematic equation of its structure and it can also include its dynamic equation, which includes mass and moment of inertia into the mathematical model of the vehicle. One of the approaches used in motion control, and applied in several works, is the feedback linearization, which consists of transforming a nonlinear system, fully or partially, into a linear system through nonliner state feedback. In this work a prototype with open architecture of the Differential Wheeled Mobile Robot (DWMR) is developed, which consists of a mechatronic system, for the implementation and testing of motion control systems. In addition, techniques are applied for the transformation of control signals into signals suitable for the prototype actuators, as well as for obtaining of the state variables using information from the prototype sensors. As one of the contributions of the work, a technique is developed in which, different from most works in the area, the obtainment of the duty cycle related to the PWM signal, used to regulate the voltage applied to the prototype actuators through H-bridge drivers, is performed in function the calculated voltage in the actuators and the angular speed of the wheels measured by sensors. In this work, the Raspberry Pi is adopted as the prototype processing unit and the simulations and practical experiments are performed using Matlab/Simulink tools, which support integration with Raspberry. In order to evaluate the prototype, two control strategies are selected to be tested, both based on feedback linearization. The first control system considers only the DWMR kinematic model and the second, on the other hand, considers both kinematic and dynamic models. The exposed control problem con sists of trajectory tracking. The simulations and tests with the prototype are performed for two different trajectories. The results obtained with the prototype are satisfactory because they have low tracking errors for both control systems implemented. The DWMR built, even in a first version and composed, in part, of common devices and algorithms, proves to be quite viable for the implementation and testing of motion control strategies of WMRs.Os modelos matemáticos dos Robôs Móveis com Roda (RMRs) são caracterizados como sistemas de múltiplas entradas e múltiplas saídas (do inglês, Multiple-Input Multiple-Output -MIMO) não lineares e, dependendo da configuração das rodas do robô, podem apresentar restrições não holonômicas. O controle de movimento do robô, que tem como propósito determinar as forças/torques necessários para o movimento do RMR, é desenvolvido considerando essas características dos RMRs, de modo que o robô realize tarefas com o desempenho desejado.O modelo matemático de um RMR compreende a equação cinemática de sua estrutura e pode incluir, também, sua equação dinâmica, a qual insere massa e momento de inércia no modelo matemático do veículo. Uma das estratégias utilizadas no controle de movimento, e empregada em vários trabalhos, é a realimentação linearizante, que consiste em transformar um sistema não linear, completa ou parcialmente, em um sistema linear a partir de uma realimentação não linear de estados. Neste trabalho é desenvolvido um protótipo com arquitetura aberta de Robô Móvel com Rodas Diferencial (RMRD), o qual consiste em um sistema mecatrônico, para a implementação e teste de sistemas de controle de movimento. Além disso, são aplicadas técnicas para a transformação de sinais de controle em sinais adequados para os atuadores do protótipo, bem como para a obtenção das variáveis de estado a partir das informações dos sensores do protótipo. Como uma das contribuições do trabalho, é desenvolvida uma técnica diferente da maioria dos trabalhos da área, na qual o cálculo do duty cycle relativo ao sinal PWM, utilizado para regular a tensão aplicada aos atuadores do protótipo por meio de drivers ponte-H, é realizado em função da tensão calculada nos atuadores e da velocidade angular das rodas medida por sensores. Neste trabalho, adota-se o Raspberry Pi como a unidade de processamento do protótipo e as simulações e experimentos práticos são realizados utilizando as ferramentas Matlab/Simulink, que oferecem suporte para integração com o Raspberry. Com o objetivo de avaliar o protótipo, são selecionadas duas estratégias de controle para serem testadas, ambas embasadas na realimentação linearizante. O primeiro sistema de controle considera somente o modelo cinemático do RMRD e o segundo, por sua vez, considera ambos modelos cinemático e dinâmico. O problema de controle abordado consiste no seguimento de trajetória. As simulações e ensaios com o protótipo são realizados para duas trajetórias diferentes. Os resultados obtidos com o protótipo são satisfatórios, pois apresentam baixos erros de seguimento para ambos sistemas de controle implementados. O RMRD construído, apesar de se encontrar em uma primeira versão e utilizar, em parte, dispositivos e algoritmos comuns, mostra-se bastante viável para a implementação e teste de estratégias controle de movimento de RMRs.Submitted by Katia Abreu (katia.abreu@unioeste.br) on 2021-04-26T12:09:35Z No. of bitstreams: 2 Matheus_Luiz_Wilhelm_2020.pdf: 11266281 bytes, checksum: 494ffab4b5758cee916afd0e61c59ba2 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5)Made available in DSpace on 2021-04-26T12:09:35Z (GMT). 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