V práci je navrženo dvouúrovňové řízení pohybu mobilního dvoukolového robotu zajišťující sledování známé trajektorie. V obou úrovních je použit prediktivní regulátor s uvažováním omezení. Pro návrh řízení ve vyšší úrovni vycházející z kinematického modelu (závislost polohy a orientace robotu na jeho aktuální tangenciální a úhlové rychlosti) byly vytvořeny dva nelineární modely chyby sledování známé trajektorie. Pro návrh řízení v nižší úrovni a pro možnost simulačního ověření celého řízení robotu byl vytvořen metodou matematicko-fyzikální analýzy lineární dynamický model robotu popisující závislost jeho tangenciální a úhlové rychlosti na napětích elektromotorů pohánějící obě kola.
Simulačně byly porovnány průběhy řízení pro různé struktury řízení i regulátory. Pozornost byla věnována zejména vlivu zanedbání dynamiky robotu a přínosu prediktivních regulátorů oproti standardně používaným řešením jak v kinematické tak i dynamické úrovni. Výsledky simulací ukazují, že prediktivní regulátor dynamické části, kromě respektování zadaných omezení, také ovlivňuje kinematickou část a zvyšuje celkovou kvalitu regulace.
Anotace v angličtině
The thesis proposes modelling of dynamics of a differential drive robot, and application of MPC in both the kinematics and dynamics parts. The thesis is divided in to three parts: kinematic modelling and predictive control, dynamic modelling and control, and Kino-Dynamics control. Firstly, the non-linear kinematic equations were linearized into two different models and nonlinear MPCs were applied with these models. The responses were compared with state-of-the-art controllers. Secondly, the mathematical model of dynamics of mobile robot was derived from first principles. The tangential and angular velocities were controlled by generating motor voltages by Linear MPC and the response was compared to PID controllers. Thirdly, the kinematic controllers and dynamic controllers were cascaded and a comparative study has been conducted with respect to different control structures. It has been noticed that, MPC of the dynamics part, can not only generate an optimal control action, but also can influence the kinematic part and decrease the overall tracking errors.
Klíčová slova
Prediktivní řízení, řízení pohybu mobilního robota, modelování, optimalizace
Klíčová slova v angličtině
Model Predictive Control, trajectory tracking, mobile robot, modelling, optimization
Rozsah průvodní práce
92
Jazyk
AN
Anotace
V práci je navrženo dvouúrovňové řízení pohybu mobilního dvoukolového robotu zajišťující sledování známé trajektorie. V obou úrovních je použit prediktivní regulátor s uvažováním omezení. Pro návrh řízení ve vyšší úrovni vycházející z kinematického modelu (závislost polohy a orientace robotu na jeho aktuální tangenciální a úhlové rychlosti) byly vytvořeny dva nelineární modely chyby sledování známé trajektorie. Pro návrh řízení v nižší úrovni a pro možnost simulačního ověření celého řízení robotu byl vytvořen metodou matematicko-fyzikální analýzy lineární dynamický model robotu popisující závislost jeho tangenciální a úhlové rychlosti na napětích elektromotorů pohánějící obě kola.
Simulačně byly porovnány průběhy řízení pro různé struktury řízení i regulátory. Pozornost byla věnována zejména vlivu zanedbání dynamiky robotu a přínosu prediktivních regulátorů oproti standardně používaným řešením jak v kinematické tak i dynamické úrovni. Výsledky simulací ukazují, že prediktivní regulátor dynamické části, kromě respektování zadaných omezení, také ovlivňuje kinematickou část a zvyšuje celkovou kvalitu regulace.
Anotace v angličtině
The thesis proposes modelling of dynamics of a differential drive robot, and application of MPC in both the kinematics and dynamics parts. The thesis is divided in to three parts: kinematic modelling and predictive control, dynamic modelling and control, and Kino-Dynamics control. Firstly, the non-linear kinematic equations were linearized into two different models and nonlinear MPCs were applied with these models. The responses were compared with state-of-the-art controllers. Secondly, the mathematical model of dynamics of mobile robot was derived from first principles. The tangential and angular velocities were controlled by generating motor voltages by Linear MPC and the response was compared to PID controllers. Thirdly, the kinematic controllers and dynamic controllers were cascaded and a comparative study has been conducted with respect to different control structures. It has been noticed that, MPC of the dynamics part, can not only generate an optimal control action, but also can influence the kinematic part and decrease the overall tracking errors.
Klíčová slova
Prediktivní řízení, řízení pohybu mobilního robota, modelování, optimalizace
Klíčová slova v angličtině
Model Predictive Control, trajectory tracking, mobile robot, modelling, optimization
Zásady pro vypracování
The aim of the thesis is trajectory tracking of differential drive mobile robot. Firstly literature survey will be conducted especially on mobile robots modelling, state-of-the-art control solutions and model predictive control. The goal is to use information about differential drive robot kinematics and dynamics to apply predictive controller for trajectory tracking problem. The thesis will be divided in to three parts: kinematic modelling, dynamic modelling and trajectory tracking control. Model predictive control for kinematic part of the problem and also together with dynamical mobile robot model will be studied and discussed in the thesis. The responses of proposed solutions will be compared with state-of-the-art solutions.
Zásady pro vypracování
The aim of the thesis is trajectory tracking of differential drive mobile robot. Firstly literature survey will be conducted especially on mobile robots modelling, state-of-the-art control solutions and model predictive control. The goal is to use information about differential drive robot kinematics and dynamics to apply predictive controller for trajectory tracking problem. The thesis will be divided in to three parts: kinematic modelling, dynamic modelling and trajectory tracking control. Model predictive control for kinematic part of the problem and also together with dynamical mobile robot model will be studied and discussed in the thesis. The responses of proposed solutions will be compared with state-of-the-art solutions.
Seznam doporučené literatury
Klančar, G. & Škrjanc, I., 2007. Tracking-error model-based predictive control for mobile robots in real time. Robotics and Autonomous Systems, 55(6), pp.460469.
Kuhne, Felipe, Walter Fetter Lages, J.M.G. da S.J., 2004. Model predictive control of a mobile robot using linearization. In Proceedings of mechatronics and robotics. pp. 525530.
Camacho, E.F. & Bordons, C. (Carlos), 2004. Model predictive control, Springer.
Seznam doporučené literatury
Klančar, G. & Škrjanc, I., 2007. Tracking-error model-based predictive control for mobile robots in real time. Robotics and Autonomous Systems, 55(6), pp.460469.
Kuhne, Felipe, Walter Fetter Lages, J.M.G. da S.J., 2004. Model predictive control of a mobile robot using linearization. In Proceedings of mechatronics and robotics. pp. 525530.
Camacho, E.F. & Bordons, C. (Carlos), 2004. Model predictive control, Springer.
Přílohy volně vložené
CD with thesis in PDF
Přílohy vázané v práci
-
Převzato z knihovny
Ne
Plný text práce
Přílohy
Posudek(y) oponenta
Hodnocení vedoucího
Záznam průběhu obhajoby
Po představení doktoranda Rahul Sharma K. byla komise seznámena se stanoviskem školitele k disertační práci a osobě disertanta. Doktorand seznámil komisi se svojí disertační prací formou prezentace. Poté byly předneseny posudky oponentů a doktorand zodpověděl otázky a reagoval na připomínky oponentů. V následné veřejné diskusi disertant odpovídal na otázky členů komise, které jsou uvedeny na samostatných listech. Na závěr proběhlo tajné hlasování. Protokol o výsledcích hlasování tvoří samostatnou přílohu.