رديابي مسير زماني براي ربات تركتور - تريلر به روش كنترل پيش‌بين

Trajectory tracking of a tractor-trailer robot using model predictive control

سيستم تركتور - تريلر يك ربات پايه‌متحرك چرخ‌دار متشكل از يك واحد چرخ‌دار مجهز به عملگر به نام تركتور و يك يا چند واحد چرخ‌دار ديگر به نام تريلر است كه به وسيله‌ي يك پين غيرفعال به هم متصل شده‌اند. در اين مقاله فرض بر اينست كه رانش سيستم بر عهده‌ي تركتور است و تريلر غيرفعال مي‌باشد. در اين پژوهش، به مدل‌سازي در سطح سينماتيك پرداخته شده، لذا ورودي‌هاي سيستم، سرعت خطي تريلر و سرعت زاويه‌اي تركتور فرض شده است. به دليل فرض غلتش خالص در چرخ‌ها، با يك سيستم غيرخطي تحت قيود غيرهولونوميك روبرو هستيم. در اين مقاله، براي اولين بار، كنترل پيش‌بين، جهت كنترل حركت تركتور-تريلر به كار برده شده است و هدف، رديابي مسير زماني تريلر خواهد بود. پس از استخراج مدل سينماتيكي تركتور - تريلر، يك مسير هندسي قابل حصول به عنوان مسير مرجع فرض مي‌شود. با خطي‌سازي معادلات سيستم حول مسير مرجع و استفاده از روش كنترل پيش‌بين مدل مبنا كه بر پايه‌ي كنترل بهينه استوار است، يك قانون كنترلي براي تعقيب مسير هندسي مرجع پيشنهاد مي‌شود كه همواره تابع هدف تعريف شده را كمينه مي‌كند. با در نظر گرفتن اشباع عملگري در ورودي‌هاي سيستم، يك مساله‌ي بهينه‌سازي مقيد، به صورت عددي حل خواهد شد. كنترلر طراحي شده در اين مقاله، با كنترلر مرسوم و متداول تناسبي - انتگرال‌گير - مشتق‌گير، مقايسه و كارايي بهتر آن نشان داده خواهد شد. در پايان صحت و قوام كنترلر طراحي شده نسبت به اغتشاش و نامعيني در پارامترها، با شبيه‌سازي سيستم در نرم‌افزار متلب تصديق خواهد شد.

The tractor-trailer system is a wheeled mobile robot (WMR), including one wheeled unit named tractor that is equipped with actuators and one or some wheeled units named trailer that are connected to each other with a passive joint. In this paper, it is assumed that the system locomotion is by tractor, and trailer is completely passive. In this paper, we develop the kinematic model of tractor-trailer; so the inputs of system are supposed to be tractor angular velocity and trailer linear velocity. Because of pure rolling condition between wheel and ground surface, we encounter a nonholonomic system. In this paper Model Predictive Control (MPC) is used in control designing of Tractor-Trailer for the first time and the goal is trajectory tracking of trailer position. First, the kinematic equations of tractor-trailer are developed. Then a feasible reference geometrical path is considered. After linearizing the system equations around reference path and using MPC that is an optimal control based method, a tracking controller is designed that minimizes a predefined cost function. Considering actuator saturation in system inputs, we solve a constrained optimization problem using numerical methods. The controller designed in this paper, will be compared against classic controller PID and its better performance is presented. Finally, the effectiveness and robustness of controller against disturbances and parameter uncertainties is proved using MATLAB software results