مدلسازي و كنترل ربات متحرك چرخ دار مجهز به تريلي با چرخ كروي غيرفعال

Dynamics and Control of a Wheeled Mobile Robot Attached by a Trailer with Passive Spherical Wheels

كنترل ربات هاي متحرك چرخ دار براساس مسيرهاي زماني، يكي از مسايل مطرح در زمينه ربات هاي متحرك مي باشد. همچنين، كنترل سيستم هايي كه با كمبود عملگر مواجه هستند از پيچيدگي خاص و اهميت ويژه اي برخوردار است. در اين مقاله، اين دو موضوع مهم كنترلي تواماً در يك ربات متحرك تراكتور-تريلي؛ كه در آن تراكتور يك ربات دو چرخ ديفرانسيلي و تريلي مجهز به دو چرخ كروي غيرفعال مي باشد؛ مورد مطالعه قرار گرفته است. استفاده از چرخ هاي كروي به جاي چرخ هاي استاندارد در تريلي، ربات را به شدت كم عملگر و غيرخطي مي كند. كمبود عملگر سيستم، علاوه بر وجود تراكتور ديفرانسيلي، ناشي از تريلي با چرخ هاي كروي غيرفعال است كه براي حذف قيد درجات آزادي سيستم و قابليت مانور در سيستم به كار رفته است. در اين مقاله پس از معرفي ربات، مدل سينماتيكي و سينتيكي آن استخراج و مدل ديناميكي با تركيب و تلفيق سينماتيك و سينتيك سيستم ارايه مي شود. سپس، يك الگوريتم كنترلي جديد، كه براساس يك مفهوم كاملاً فيزيكي سامان داده شده تحت عنوان الگوريتم كنترلي لياپانوف- PID ارايه مي شود. سپس اجتناب از ايجاد تكينگي در الگوريتم كنترلي پيشنهاد شده مورد تحليل و بررسي قرار مي گيرد و پايداري آن اثبات مي شود. نتايج شبيه سازي حاكي از عملكرد مطلوب الگوريتم كنترلي پيشنهادي است. در پايان، نتايج پياده سازي تجربي الگوريتم كنترلي پيشنهادي بر روي يك سيستم آزمايشگاهي ارايه مي شود كه كارايي قانون كنترلي پيشنهاد شده را نشان مي‌دهد.

Trajectory tracking is one of the main control problems in the context of Wheeled Mobile Robots (WMRs). On the other hand, control of underactuated systems possesses a particular complexity and importance; so it has been the focus of many researchers in recent years. In this paper, these two important control subjects have been discussed for a Tractor-Trailer Wheeled Mobile Robot (TTWMR), which includes a differential drive wheeled mobile robot towing a passive spherical wheeled trailer. The use of spherical wheels instead of standard wheels in trailer makes the robot highly underactuated and nonlinear. Spherical wheels have been used for the trailer to increase robots’ maneuverability. In fact, standard wheels create nonholonomic constraints by means of pure rolling and nonslip conditions, and reduce robot maneuverability. In this paper, after introducing the robot, kinematics and kinetics models have been obtained for the system. Then, based on physical intuition a new controller has been developed for the robot, named Lyapaunov-PID control algorithm. Then, singularity avoidance of the proposed algorithm has been analyzed and the stability of the algorithm has been discussed. Simulation results reveal the suitable performance of the proposed algorithm. Finally, experimental implementation results have been presented which verify the simulation results.