Controle de velocidade baseado em modelo dinâmico com restrições para um robô diferencial escalador magnético

• Autor(a) principal: Santos, Higor Barbosa
• Data de Publicação: 2021
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
• Texto Completo: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/26568
• topic: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::ELETRONICA INDUSTRIAL, SISTEMAS E CONTROLES ELETRONICOS::AUTOMACAO ELETRONICA DE PROCESSOS ELETRICOS E INDUSTRIAIS; Controle preditivo; Robôs - Sistemas de controle; Adesão; Robôs - Velocidade - Controle; Robótica; Predictive control; Robots - Control systems; Adhesion; Robots - Speed - Control; Robotics; Engenharia Elétrica

Os robôs escaladores são caracterizados por um acoplamento seguro à superfície, projetado para evitar quedas. A capacidade de acoplamento do robô é conferida por um método de adesão que leva a modelos dinâmicos não-lineares com parâmetros variáveis no tempo que afetam a mobilidade do robô. Além disso, o atrito da roda e a força da gravidade também são forças relevantes que podem comprometer a capacidade de escalada se não forem bem modeladas. Este trabalho apresenta um controlador preditivo baseado no modelo dinâmico para rastreamento de velocidade em um robô escalador de quatro rodas magnéticas especialmente projetado para inspecionar tanques industriais de armazenamento. O controle preciso da velocidade é muito importante para garantir a efetividade da inspeção, o que exige a compensação dos distúrbios dinâmicos presentes na navegação do robô escalador. O controlador preditivo baseado em modelo (MPC) compensa os efeitos das não-linearidades devido às forças inerciais, gravidade, atrito e de adesão por meio da modelagem dinâmica e cinemática do robô escalador. A modelagem dinâmica é baseada na abordagem de Lagrange-Euler, que permite um melhor entendimento de como as forças e torques afetam o movimento do robô. Além disso, é proposta uma análise da força de interação entre o robô e a superfície de contato, uma vez que essa força afeta o movimento do robô escalador de acordo com a orientação espacial. Como a grande maioria dos robôs comerciais utilizam a velocidade de suas rodas como sinal de entrada, uma transformação de torque em velocidade é realizada gerando nova formulação dinâmica para o comportamento do robô. Desse modo, dois modelos dinâmicos para robôs escaladores são propostos, pois o modelo dinâmico clássico utiliza o torque como sinal de entrada. Dado os modelos dinâmicos baseados no torque e na velocidade, implementa-se um controlador MPC para cada um dos tipos de sinal de entrada. Por fim, são realizadas simulações para examinar a dinâmica do robô durante o movimento de escalada, e os controladores MPC são validados através do simulador de robô V-REP e experimentos práticos com um robô real em ambiente de laboratório. Os resultados simulados e práticos dos controladores demonstram a compensação dos distúrbios modelados, não modelados e variantes no tempo na navegação do robô escalador. A partir dos modelos cinemáticos e dinâmicos desenvolvidos, obteve-se um bom desempenho nas predições, o que permitiu a compensação da dinâmica do robô durante a escalada e fez com que os controladores apresentassem uma boa performance (tempo de resposta e erro insignificante) no rastreamento da velocidade. Portanto, as principais contribuições desta tese são a análise cinemática e dinâmica e o desenvolvimento de controladores preditivos baseados no modelo dinâmico para o rastreamento de velocidade de robôs escaladores.