Motion Control of Holonomic Wheeled Mobile Robot with Modular Actuation


El-Shenawy, Ahmed


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URL: http://ub-madoc.bib.uni-mannheim.de/2891
URN: urn:nbn:de:bsz:180-madoc-28917
Dokumenttyp: Dissertation
Erscheinungsjahr: 2010
Verlag: Universität Mannheim
Gutachter: Badreddin, Essam
Datum der mündl. Prüfung: 15 April 2010
Sprache der Veröffentlichung: Englisch
Einrichtung: Fakultät für Wirtschaftsinformatik und Wirtschaftsmathematik > Automation (Badreddin -2008)
Fachgebiet: 500 Naturwissenschaften
Normierte Schlagwörter (SWD): Holonome Bedingung , Mobiler Roboter , Kontrolle , Kinematik , Dynamik
Freie Schlagwörter (Englisch): Holonomic, Mobile Robots, Control, Kinematics, Dynamics
Abstract: This thesis proposes a control scheme for a new holonomic wheeled mobile robot. The platform, which is called C3P (Caster 3 wheels Platform), is designed and built by the Automation Lab., University of Heidelberg. The platform has three driven caster wheels, which are used because of their simple construction and easy maintenance. The C3P has modular actuators and sensors configurations. The robot’s actuation scheme produces singularity difficulties for some wheel steering configuration, described as the following: When all wheels yield the same steering angle value, the C3P cannot be actuated in the direction perpendicular to the wheel velocity vector. The C3P has a modular sensing scheme defined by sensing the steering angle and the wheel angular velocity of each caster wheel. This work has four main contributions 1- developing a controller based on an inverse kinematics solution to handle motion commands in the singular configurations; 2- modeling the C3P’s forward dynamics of the C3P for the simulation purpose; 3- developing a motion controller based on an inverse dynamics solution; and 4- comparing the C3P with other standard holonomic WMRs. In order to escape singularity condition, the actuated inverse kinematics solution is developed based on the idea of coupling any two wheel velocities to virtually actuate the steering angular velocity of the third wheel. The solution is termed as the Wheel Coupling Equation (WCE). The C3P velocity controller consists of two parts: a) the WCE regulator to avoid singularities and adjust the steering angles to the desired value, and b) the regular PID controller to maintain the reference robot velocities with respect to the floor frame of coordinates. The solution reaches acceptable performance in the simulation examples and in the practical experiments. However, it generates relatively large displacement errors only during the steering angles adjustment period. The Euler-Lagrangian method is used for obtaining the forward dynamic and the inverse dynamic models. The forward dynamic model consists of two equations of motion: the WTD (Wheel Torque Dynamics) to calculate the wheel angular velocities with respect to the actuated wheels’ torques, and the DSE (Dynamic Steering Estimator) for calculating the steering angles and steering angular velocities corresponding to the angular wheels’ velocities and accelerations. The inverse dynamics solution defines the forces and torques acting on each actuator and joint. The solution is used in the development of the C3P velocity and position controllers. In comparison to the proposed inverse kinematics solution, the inverse dynamics solution yields less displacement errors. Lyapunov stability analysis is carried out to investigate the system stability for different steering angles’ combinations. The steering angles’ values are considered as the disturbances affecting the platform. Finally, a comparison is made between the C3P and three other holonomic wheeled mobile robots configurations. The comparison is based on the simulation results in relation to the following aspects: a) mobility, b) total energy consumed by each robot in a finite interval of time and c) hardware complexity. The C3P platform shows its advantage in the aspects “b” and “c”.
Übersetzter Titel: Motion Control von Holonom-Rädern Mobiler Roboter mit Modular-Betätigung (Deutsch)
Übersetzung des Abstracts: In dieser Arbeit wird ein Regelungsschema für einen neuartigen holonomen radgetriebenen mobilen Roboter vorgeschlagen. Die Plattform, die als C3P (Caster 3 wheels Platform) bezeichnet wird, wurde am Lehrstuhl für Automation, Universität Heidelberg konzipiert und aufgebaut. Die Plattform verfügt über drei gleiche angetriebene Castorräder, was einen einfachen Aufbau und eine einfache Wartung ermöglicht. Der Roboter verfügt über modulare Konfigurationen von Aktoren und Sensoren. Das Ansteuerungsschema des Roboters besitzt Singularitäten für spezielle Radkonfigurationen, die wie folgt beschrieben werden können: Wenn alle Räder den gleichen Lenkwinkelwert besitzen, kann der C3P nicht in der Richtung der Senkrechten zum Radgeschwindigkeitsvektor angetrieben werden. Der Lenkwinkel und die Radwinkelgeschwindigkeit jedes Castorrads sind die gemessene Variable. Diese Arbeit trägt zu folgenden vier Themenbereichen bei: 1. Entwurf und Implementierung eines Regelungsschemas für die Positions- und Geschwindigkeitsregelung des Roboters zur Überbrückung von Singularitätsproblemen basierend auf einem kinematischen Lösungsansatz. 2. Analyse und mathematische Beschreibung der Kinematik und Dynamik des holonomen Roboters mit singulären Radkonfigurationen und Erstellung eines Simulationsmodells 3. Entwurf und Implementierung eines entsprechenden Regelungsschemas basierend auf einem dynamischen Lösungsansatz 4. Vergleich zwischen C3P und Standardkonfigurationen für holonome radgetriebene mobile Roboter Die inverse Kinematiklösung folgt dem Grundkonzept, die Ansteuerung der Radwinkelgeschwindigkeit zweier beliebiger Räder zu koppeln um das dritte Rad in der Steuerungsachse anzutreiben und so aus der singulären Stellung zu befreien. Diese Lösung wird als Radkoppelungsgleichung (WCE, engl. Wheel Coupling Equation) bezeichnet. Die Struktur zur Regelung der Bewegung basiert auf dieser WCE und wird weiter unterteilt in Positions- und Geschwindigkeitsregelung. Die Geschwindigkeitsregelung wiederum besteht aus zwei Hauptkomponenten: a) WCE-Regler zur Vermeidung von Singularitäten in der kinematischen Lösung und zur Ansteuerung der Radsteuerachse und b) PID-Regler zur Einstellung der Robotergeschwindigkeit im Bodenkoordinatensystem. Sowohl in computergestützten Simulationen als auch in praktischen Experimenten erreicht der kinematikbasierte Ansatz eine akzeptable Regelgüte während der transienten Phase zur Einstellung der Radsteuerwinkel. Die Herleitung der Lösungen für die Vorwärtsdynamik und die inverse Dynamik stützt sich auf die Euler-Lagrange-Methode. Das Vorwärtsdynamikmodel wird in zwei Gleichungen zerlegt: 1) die Momentengleichung für die Raddynamik (WTD, engl. Wheel Torque Dynamiks), die zur Berechnung der Radwinkelgeschwindigkeit verwendet wird und 2) die dynamische Steuerungsschätzung (DSE, engl. Dynamic Steering Estimator) zur Berechung der Steuerwinkel und Steuerwinkelgeschwindigkeiten entsprechend der Radwinkelgeschwindigkeiten und -beschleunigungen. Die inverse Dynamiklösung definiert die Hauptkräfte und –Drehmomente, die auf jeden Antrieb und die Gelenke wirken. Diese Lösung floss in die Entwicklung der Geschwindigkeits- und Positionsregelung des C3P ein. Im Vergleich zum kinematikbasierten Ansatz erzeugt die dynamikbasierte Lösung geringere Positionsabweichungen. Eine Stabilitätsanalyse nach Lyapunov wurde durchgeführt, um das System der Roboterplatform in Bezug auf verschiedene Steuerwinkelkombinationen zu untersuchen. Die Steuerwinkelwerte unterliegen äußeren Störungen und somit eine Unbestimmtheit in der Roboterkinematik dar. Abschließend wurde ein Vergleich zwischen dem C3P und drei weiteren holonomen radgetriebenen mobilen Roboterkonfigurationen durchgeführt. Der Vergleich wurde basierend auf Simulationen zum Energieverbrauchs und Positionsabeichung bezüglich folgender Aspekte durchgeführt: a) Mobilität, b) Gesamtenergieverbrauch, c) Komplexität der Konstruktion. Die C3P-Plattform zeigt insbesondere in den Bereichen b) und c) deutliche Vorteile. (Deutsch)
Zusätzliche Informationen:

Das Dokument wird vom Publikationsserver der Universitätsbibliothek Mannheim bereitgestellt.




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El-Shenawy, Ahmed (2010) Motion Control of Holonomic Wheeled Mobile Robot with Modular Actuation. [Dissertation]
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