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首页> 外文期刊>Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 8. Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik >Schnelle Bahnregelung fur mobile Roboter
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Schnelle Bahnregelung fur mobile Roboter

机译：移动机器人的快速路径控制

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Die vorliegende Dissertation widmet sich der Fragestellung, welche Geschwindigkeit bei der dynamischen Bahnregelung eines mobilen Roboters durch moderne, modellbasierte Regelungen erreichbar ist. Der eingesetzte Roboter stellt durch seine differentielle Lenkung ein sehr komplexes mechanisches System dar. Die untersuchten Verfahren losen das kinematische Problem, eine mobile Plattform entlang einer gegebenen Trajektorie zu fuhren, unter Einbeziehung der dynamischen Eigenschaften des Fahrzeugs Als Regelgrossen werden die Zustandsvariablen des Fahrzeugs verwendet. Dabei werden lineare und nichtlineare modellbasierte Regelkonzepte miteinander verglichen, mit dem Ziel, eine hohe Dynamik bei geringem Bahnfehler zu erreichen. Zunachst erfolgt eine Beschreibung des eingesetzten experimentellen Fahrzeugs mit differentieller Lenkung. Es werden die relevanten Eigenschaften und Entwicklungsparadigmen des mobilen Roboters vorgestellt. Das passive Vorderrad des Fahrzeugs wird als zusatzlicher Geschwindigkeitssensor eingesetzt und ermoglicht so redundante Odometrie. Anschliessend werden die Herleitungen von drei Streckenmodellen ausfuhrlich beschrieben. Die Modelle werden fur den Reglerentwurf benotigt und dienen dem Verstandnis der bestimmenden Krafte und des resultierenden Systemverhaltens. Der Entwurf von linearen modellbasierten Reglern erfordert lineare Modelle der Regelstrecken, die mit Hilfe des Lagrange-Formalismus hergeleitet werden. Auf demselben Weg wird ein nichtlineares Modell unter Einbeziehung des passiven Vorderrades aufgestellt. Da die hohe Komplexitat des Modells keine direkte Verwendung fur den Reglerentwurf erlaubt, werden die relevanten Ter me durch eine Analyse bestimmt und anschliessend im Arbeitspunkt des Modells approximiert. Zur Erganzung werden Untersuchungen zu weiteren dynamischen Eigenschaften des Roboters prasentiert. Es wird ein Modell beschrieben, das zusatzliche Tragheitseffekte und die Krafte zwischen Reifen und Untergrund berucksichtigt. Dieses hybride Modell vereint die Identifikation der ausseren Krafte uber ein Freikorperbild mit der analytischen Bestimmung der inneren Krafte des Systems uber den Lagrange-Formalismus. Durch die Vernachlassigung von nichtlinearen Systemeigenschaften bei der linearen Modellbildung entstehen strukturelle Unsicherheiten im Modell. Um diese Unsicherheiten zu kompensieren, werden robuste Regelgesetze betrachtet, die durch H_∞- und l_1-optimale Entwurfsverfahren gewonnen werden. Dem wird als nichtlineares Regelverfahren die Feedback-Linearisierung gegenubergestellt. Es wird gezeigt, wie das nichtlineare Modell durch eine Zustandsruckfuhrung linearisiert werden kann. Als Erganzung wird ein Regler in Kaskadenstruktur fur die Fahrzeugrotation beschrieben. Regelgrosse des Fuhrungsreglers ist der Gierwinkel des Fahrzeugs, der Folgeregler kontrolliert den Winkel des passiven Vorderrades. Die entwickelten Regelverfahren betrachten Langsbewegung und Rotation des Fahrzeugs als separate Probleme. Dadurch wird die Kombination der einzelnen Ansatze moglich, um das geforderte Ziel zu erreichen. Abschliessend erfolgt eine Bewertung der von den Regelverfahren in Simulationslaufen und Experimenten erzielten Dynamik uber einen Index, der aus Fahrzeuggeschwindigkeit und Bahnfehler berechnet wird. Die Kombination aus H_∞-optimalem Regler fur die Translation und Kaskadenregelung fur die Rotation erreicht die besten Ergebnisse bei der Bahnfolge mit hoher Dynamik.
机译：本论文致力于使用现代的，基于模型的控制在移动机器人的动态路径控制中可以实现哪种速度的问题。所使用的机器人由于其差速转向而代表了一个非常复杂的机械系统，研究的方法解决了沿给定轨迹引导移动平台的运动学问题，同时考虑了车辆的动态特性，将车辆的状态变量用作控制变量。在此，将基于线性和非线性模型的控制概念相互比较，以实现具有低路径误差的高动态特性。首先，给出了使用差速转向的实​​验车辆的描述。介绍了移动机器人的相关特性和开发范例。车辆的被动前轮用作附加的速度传感器，因此可以实现冗余里程计。然后详细描述三种路线模型的推导。该模型是控制器设计所必需的，可用来了解确定力和所导致的系统行为。基于线性模型的控制器的设计需要受控系统的线性模型，这些模型是使用拉格朗日形式主义派生的。以同样的方式，建立包括被动前轮的非线性模型。由于模型的高度复杂性不允许直接用于控制器设计，因此相关项通过分析确定，然后在模型的工作点进行近似。另外，提出了关于机器人的其他动力学特性的研究。描述了一个模型，该模型考虑了附加的惯性效应以及轮胎和地面之间的力。该混合模型将通过自由体图像识别外力与通过拉格朗日形式主义对系统内力的分析确定相结合。线性建模中对非线性系统属性的忽视会在模型中产生结构不确定性。为了补偿这些不确定性，考虑了鲁棒的控制律，这些律是通过H_∞和l_1最优设计方法获得的。将反馈线性化与此作为非线性控制方法进行比较。它显示了如何通过状态返回使非线性模型线性化。另外，描述了用于车辆旋转的级联结构的控制器。主控制器的控制变量是车辆的偏航角，从控制器则控制被动前轮的角度。所开发的控制方法将车辆的纵向运动和旋转视为单独的问题。这样可以将各个方法组合起来以实现所需的目标。最后，使用从车辆速度和路径误差计算得出的指标，评估在模拟运行和实验中通过控制方法实现的动力学。 H_∞最优控制器（用于平移）和级联控制（用于旋转）的组合在具有高动态性的路径序列中获得最佳结果。

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