Реализация траекторного регулятора наземного робототехнического комплекса на основе модельного прогнозирующего управления

Реализация траекторного регулятора наземного робототехнического комплекса на основе модельного прогнозирующего управления

Тачков Александр Анатольевич
к.т.н., Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)» (МГТУ им. Н.Э. Баумана), НУЦ «Робототехника», отдел «Автоматизированные транспортные системы», начальник отдела, 105037, Москва, Измайловская пл. 7, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID: 0000-0002-8330-8750

Козов Алексей Владимирович
МГТУ им. Н.Э. Баумана, НУЦ «Робототехника», отдел «Автоматизированные транспортные системы», инженер, 105037, Москва, Измайловская пл. 7, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID: 0000-0002-9997-0386

Курочкин Семен Юрьевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана, НУЦ «Робототехника», отдел «Автоматизированные транспортные системы», м.н.с., 105037, Москва, Измайловская пл. 7, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID: 0000-0001-8659-7191

Яковлев Дмитрий Сергеевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана, НУЦ «Робототехника», отдел «Автоматизирован-ные транспортные системы», инженер, 105037, Москва, Измайловская пл. 7, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID: 0000-0002-6999-407X

Бузлов Никита Андреевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана, НУЦ «Робототехника», отдел «Автоматизированные транспортные системы», инженер, 105037, Москва, Измайловская пл. 7, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID: 0000-0002-0723-6812

Материал поступил в редакцию 30 сентября 2021 года.

Аннотация
Статья посвящена одной реализации траекторного регулятора на основе модельного прогнозирующего управления для наземного робототехнического комплекса. Представлены постановка задачи автономного движения по заданной траектории, принятые допущения и ограничения. Описаны особенности применения модельного прогнозирующего управления для решения поставленной задачи. Особенностью предлагаемой реализации траекторного регулятора является использование линеаризованной модели динамики шасси для предсказания положения робота через заданный промежуток времени и управление движением без решения задачи оптимального управления. Для определения параметров динамической модели робототехнического комплекса с учётом приводного уровня решена задача идентификации, получены две линейные модели с запаздыванием, описывающие динамику прямолинейного движения и поворота робота. Проведён эксперимент, показавший, что полученные модели обеспечивают высокое соответствие экспериментальным данным при условии, что робот движется по поверхности с постоянным коэффициентом трения. Описан алгоритм расчёта предсказанного положения, структурная схема траекторного регулятора и его программная реализация. Реализованный траекторный регулятор обеспечивает автономное движение наземного робототехнического комплекса в индустриально-городской среде или по слабопересечённой местности.

Ключевые слова
Наземное беспилотное транспортное средство, навигация, ROS, модельное прогнозирующее управление, идентификация систем, синтез системы управления, следование траектории, модель динамики.

DOI
10.31776/RTCJ.10105

Индекс УДК 
681.51:62-503.54

Библиографическое описание
Тачков А.А. Реализация траекторного регулятора наземного робототехнического комплекса на основе модельного прогнозирующего управления / А.А. Тачков [и др.]  // Робототехника и техническая кибернетика. – Т. 10. - № 1. – Санкт-Петербург : ЦНИИ РТК. – 2022. – С. 43-54. – Текст : непосредственный.

Литература

  1. Мирошник, И. В. Управление траекторным движением автономных роботов / И. В. Мирошник, А. Н. Шалаев // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. — 2002. — №. 6. — C. 237 – 242. — Текст : непосредственный.
  2. Бурдаков, С. Ф. Системы управления движением колёсных роботов / С. Ф. Бурдаков, И. В. Мирошник, Р. Э. Стельмаков. — СПб: Наука, 2001. 232 с. — Текст : непосредственный.
  3. Герасимов, В. Н. К вопросу управления движением мобильного робота в динамической среде / В. Н. Герасимов // Робототехника и техническая кибернетика. — 2014. — №. 1. — С. 44-51. — Текст : непосредственный.
  4. Snider, J. M. Automatic steering methods for autonomous automobile path tracking / J. M. Snider // Robotics Institute, Pittsburgh, PA, Tech. Rep. CMU-RITR-09-08. — 2009. — 71 p. — Text : unmediated.
  5. Campo, P. J. Robust model predictive control / P. J. Campo, M. Morari // 1987 American control conference. IEEE. — 1987. — pp. 1021-1026. — Text : unmediated.
  6. Постановка задачи прогнозирующего управления мобильным гусеничным роботом / А. А. Кобзев, В. А. Немонтов, Ю. Е. Мишулин, А. В. Лекарева // Известия Института инженерной физики. — 2016. — Т. 4. — №. 42. — С. 58-64. — Текст : непосредственный.
  7. Künhe, F. Mobile robot trajectory tracking using model predictive control / F. Künhe, J. Gomes, W. Fetter // II IEEE latin-american robotics symposium. — 2005. — vol. 51. — URL: http://www.ece.ufrgs.br/~fetter/sbai05_10022.pdf (accessed 19.01.2022). — Text : electronic.
  8. A predictive controller for autonomous vehicle path tracking/ G. V. Raffo [et al] // IEEE transactions on intelligent transportation systems. — 2009. — vol. 10. — N. 1. — P. 92-102. — DOI: 10.1109/TITS.2008.2011697. — URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/4768725 (accessed 19.01.2022). — Text : electronic.
  9. Rajamani, R. Vehicle dynamics and control / R. Rajamani. — Springer Science & Business Media, 2011. — 498 p. — Text : unmediated.
  10. Kiencke, U. Automotive control systems: for engine, driveline, and vehicle / U. Kiencke, L. Nielsen. — Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2000 — 512 p. — Text : unmediated.
  11. Inagaki, S. Analysis on vehicle stability in critical cornering using phase-plane method / S. Inagaki, I. Kushiro, M. Yamamoto // Jsae Review. — 1995. — vol. 2. — №. 16. — P. 216. — Text : unmediated.
  12. Effect of pulse and glide strategy on traffic flow for a platoon of mixed automated and manually driven vehicles / S. E. Li, K. Deng, Y. Zheng, H. Peng // Computer Aided Civil and Infrastructure Engineering. — 2015. — vol. 30. — №. 11. — DOI: 10.1111/MICE.12168. — URL: https://onlinelibrary.wiley.com/journal/14678667 (accessed 19.01.2022). — Text : electronic.
  13. Кондаков, С. В. Моделирование взаимодействия гусениц с грунтом при неустановившемся повороте быстроходной гусеничной машины / С. В. Кондаков, С. И. Черепанов // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение. — 2008. — №. 23 (123). — C. 26-31. — Текст : непосредственный.
  14. Забавников, Н. А. Основы теории транспортных гусеничных машин / Н. А. Забавников. — М.: Машиностроение, 1975. — Т. 4. — 448 с. — Текст : непосредственный.
  15. Rohani, B. Steerability Analysis of Tracked Vehicles on Soft Soil; Theoretical Predictions Versus Field Measurements. — Army engineer waterways experiment station Vicksburg Geotechnical Lab / B. Rohani, G. Y. Baladi. — Vicksburg, Miss.: The Station, 1982. — Text : unmediated.
  16. A Consensus-Based approach for platooning with intervehicular communications and its validation in realistic scenarios / S. Santini, A. Salvi, A. S. Valente [et al] // IEEE Transactions on Vehicular Technology. — 2016. — vol. 66. — №. 3. — P. 1985–1999. — DOI: 10.1109/TVT.2016.2585018. — URL: https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=7499858 (accessed 19.01.2022). — Text : electronic.
  17. Xiao, L. Practical string stability of platoon of adaptive cruise control vehicles / L. Xiao, F. Gao // IEEE Transactions on intelligent transportation systems. — 2011. — vol. 12. — №. 4. — P. 1184-1194. — DOI: 10.1109/TITS.2011.2143407. — URL: https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=5782989 (accessed 19.01.2022). — Text : electronic.
  18. Cooperative adaptive cruise control: Network-aware analysis of string stability / S. Öncü, J. Ploeg, N. van de Wouw, H. Nijmeijer // IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems. — 2014. — vol. 15. — №. 4. — P. 1527-1537. — DOI: 10.1109/TITS.2014.2302816. — URL: https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6747309 (accessed 19.01.2022). — Text : electronic.
  19. James, S. Linear system identification of longitudinal vehicle dynamics versus nonlinear physical modelling / S. James, S. R. Anderson // 2018 UKACC 12th International Conference on Control (CONTROL). — 2018. — P. 146-151. — DOI: 10.1109/CONTROL.2018.8516756. — URL: https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=8516756 (accessed 19.01.2022). — Text : electronic.
  20. Milanés V. Cooperative adaptive cruise control in real traffic situations / V. Milanés, S. E. Shladover, J. Spring [et al] // IEEE Transactions on intelligent transportation systems. — 2013. — vol. 15. — №. 1. — P. 296-305. — DOI: 10.1109/TITS.2013.2278494. — URL: https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6588305 (accessed 19.01.2022). — Text : electronic.
  21. Van Overschee P. N4SID: Subspace algorithms for the identification of combined deterministic-stochastic systems / Van Overschee P., De Moor B. // Automatica. — 1994. — vol.. 30. — №. 1. — Р. 75-93. — Text : unmediated.

 

Полный текст статьи (pdf)

Адрес редакции:  Россия, 194064, Санкт-Петербург, Тихорецкий пр., 21   Тел.: +7(812) 552-13-25 e-mail: zheleznyakov@rtc.ru 
 
 
vk2    tg2