Motion discontinuity-robust controller for steerable wheeled mobile robots

par Mohamed Sorour

Thèse de doctorat en Systèmes automatiques et micro-électroniques

Sous la direction de Philippe Fraisse.

Le président du jury était André Crosnier.

Le jury était composé de Philippe Fraisse, André Crosnier, Reza Ghabcheloo, Paolo Robuffo Giordano, Nahid Armande, Andrea Cherubini.

Les rapporteurs étaient Reza Ghabcheloo, Paolo Robuffo Giordano.

  • Titre traduit

    Contrôle de la discontinuité de mouvement - contrôleur robuste pour robots mobiles roulants


  • Résumé

    Les robots mobiles à roues orientables gagnent de la mobilité en employant des roues conventionnelles entièrement orientables, comportant deux joints actifs, un pour la direction et un autre pour la conduite. En dépit d'avoir seulement un degré de mobilité (DOM) (défini ici comme degrés de liberté instantanément autorisés DOF), correspondant à la rotation autour du centre de rotation instantané (ICR), ces robots peuvent effectuer des trajectoires planaires complexes de $ 2D $. Ils sont moins chers et ont une capacité de charge plus élevée que les roues non conventionnelles (par exemple, Sweedish ou Omni-directional) et, en tant que telles, préférées aux applications industrielles. Cependant, ce type de structure de robot mobile présente des problèmes de contrôle textit {basic} difficiles de la coordination de la direction pour éviter les combats d'actionneur, en évitant les singularités cinématiques (ICR à l'axe de la direction) et les singularités de représentation (du modèle mathématique). En plus de résoudre les problèmes de contrôle textit {basic}, cette thèse attire également l'attention et présente des solutions aux problèmes de textit {niveau d'application}. Plus précisément, nous traitons deux problèmes: la première est la nécessité de reconfigurer "de manière discontinue" les articulations de direction, une fois que la discontinuité dans la trajectoire du robot se produit. Une telle situation - la discontinuité dans le mouvement du robot - est plus susceptible de se produire de nos jours, dans le domaine émergent de la collaboration homme-robot. Les robots mobiles qui fonctionnent à proximité des travailleurs humains en mouvement rapide rencontrent généralement une discontinuité dans la trajectoire calculée en ligne. Le second apparaît dans les applications nécessitant que l'angle de l'angle soit maintenu, certains objets ou fonctionnalités restent dans le champ de vision (p. Ex., Pour les tâches basées sur la vision) ou les changements de traduction. Ensuite, le point ICR est nécessaire pour déplacer de longues distances d'un extrême de l'espace de travail à l'autre, généralement en passant par le centre géométrique du robot, où la vitesse du robot est limitée. Dans ces scénarios d'application, les contrôleurs basés sur l'ICR à l'état de l'art conduiront à des comportements / résultats insatisfaisants. Dans cette thèse, nous résolvons les problèmes de niveau d'application susmentionnés; à savoir la discontinuité dans les commandes de vitesse du robot et une planification meilleure / efficace pour le contrôle du mouvement du point ICR tout en respectant les limites maximales de performance des articulations de direction et en évitant les singularités cinématiques et représentatives. Nos résultats ont été validés expérimentalement sur une base mobile industrielle.


  • Résumé

    Steerable wheeled mobile robots gain mobility by employing fully steerable conventional wheels, having two active joints, one for steering, and another for driving. Despite having only one degree of mobility (DOM) (defined here as the instantaneously accessible degrees of freedom DOF), corresponding to the rotation about the instantaneous center of rotation (ICR), such robots can perform complex $2D$ planar trajectories. They are cheaper and have higher load carrying capacity than non-conventional wheels (e.g., Sweedish or Omni-directional), and as such preferred for industrial applications. However, this type of mobile robot structure presents challenging textit{basic} control issues of steering coordination to avoid actuator fighting, avoiding kinematic (ICR at the steering joint axis) and representation (from the mathematical model) singularities. In addition to solving the textit{basic} control problems, this thesis also focuses attention and presents solutions to textit{application level} problems. Specifically we deal with two problems: the first is the necessity to "discontinuously" reconfigure the steer joints, once discontinuity in the robot trajectory occurs. Such situation - discontinuity in robot motion - is more likely to happen nowadays, in the emerging field of human-robot collaboration. Mobile robots working in the vicinity of fast moving human workers, will usually encounter discontinuity in the online computed trajectory. The second appears in applications requiring that some heading angle is to be maintained, some object or feature stays in the field of view (e.g., for vision-based tasks), or the translation verse changes. Then, the ICR point is required to move long distances from one extreme of the workspace to the other, usually passing by the robot geometric center, where the feasible robot velocity is limited. In these application scenarios, the state-of-art ICR based controllers will lead to unsatisfactory behavior/results. In this thesis, we solve the aforementioned application level problems; namely discontinuity in robot velocity commands, and better/efficient planning for ICR point motion control while respecting the maximum steer joint performance limits, and avoiding kinematic and representational singularities. Our findings has been validated experimentally on an industrial mobile base.


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