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http://hdl.handle.net/1843/73611
Full metadata record
DC Field | Value | Language |
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dc.contributor.advisor1 | Luciano Cunha de Araújo Pimenta | pt_BR |
dc.contributor.advisor1Lattes | http://lattes.cnpq.br/1331652492006790 | pt_BR |
dc.contributor.advisor-co1 | Vinicius Mariano Gonçalves | pt_BR |
dc.contributor.advisor-co2 | Gustavo Medeiros Freitas | pt_BR |
dc.contributor.referee1 | Guilherme Vianna Raffo | pt_BR |
dc.contributor.referee2 | Leonardo Antônio Borges Tôrres | pt_BR |
dc.contributor.referee3 | Guilherme Augusto Silva Pereira | pt_BR |
dc.contributor.referee4 | Marco Henrique Terra | pt_BR |
dc.creator | Adriano Martins da Costa Rezende | pt_BR |
dc.creator.Lattes | http://lattes.cnpq.br/7938223223010370 | pt_BR |
dc.date.accessioned | 2024-08-09T18:36:17Z | - |
dc.date.available | 2024-08-09T18:36:17Z | - |
dc.date.issued | 2022-03-25 | - |
dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/1843/73611 | - |
dc.description.abstract | Neste trabalho, dois problemas na área de navegação de robôs são abordados: guiagem e controle. Para resolver o problema de guiagem, propõe-se um campo vetorial artificial, que pode ser aplicado em várias plataformas robóticas. O problema de controle é abordado no contexto de um modelo de quadrirrotor, que precisa seguir o campo vetorial proposto. Após introdução e revisão da literatura, apresenta-se a metodologia para calcular um campo vetorial artificial variante no tempo em n dimensões, que admite uma determinada curva como ciclo limite estável. A função de distância Euclidiana constrói o campo, facilmente calculado a partir de uma representação paramétrica da curva. A norma da componente de feedforward que compensa a dependência temporal é limitada pela velocidade máxima da curva, permitindo uma normalização do campo vetorial variante no tempo sem afetar a convergência. Provas de estabilidade do campo normalizado variante no tempo são apresentadas e a existência de ultimate bounds é demonstrada para o caso de distúrbios limitados. Duas modificações no campo vetorial são apresentadas: a primeira para curvas com auto interseção e a segunda para desvio de obstáculos. Com o campo vetorial definido, apresenta-se uma estratégia de controle para um quadrirrotor seguir uma curva variante no tempo usando o campo vetorial proposto. Primeiramente, leis de controle são desenvolvidas para impor o comportamento das curvas integrais do campo vetorial ao modelo do integrador de segunda ordem. Depois, leis de controle impõem a dinâmica do integrador de segunda ordem controlado a um modelo de quadrirrotor, que assume o impulso total e as velocidades angulares como comandos de entrada. A convergência assintótica do sistema completo é provada ao mostrar que as camadas individuais são estáveis no sentido entrada-estado. Uma análise da influência de distúrbios limitados nas entradas de controle avalia a robustez do controlador, mostrando que distúrbios limitados causam desvios limitados da curva alvo. Várias simulações ilustram as metodologias propostas para guiagem e controle. Experimentos com diferentes quadrirrotores e um robô terrestre em ambientes externos não estruturados mostram que o arcabouço proposto é adequado para aplicações no mundo real. Uma simulação com um manipulador de 6 graus de liberdade também exemplifica o uso do campo vetorial em dimensões maiores que 3. | pt_BR |
dc.description.resumo | In this work we consider two problems in robot navigation: guidance and control. To solve the guidance problem we propose an artificial vector field, applicable to various robot platforms. The control problem is addressed by using a quadcopter model that follows the proposed vector field. After a brief introduction and literature review, we present a methodology to compute an artificial time-varying vector field in n dimensions with a given curve as its stable limit cycle. The Euclidean distance function constructs the field, easily computed from a parametric curve representation. The time feedforward term's norm is limited by the curve's maximum velocity, allowing normalization of the vector field without negatively affecting convergence. We provide stability proofs for the normalized time-varying vector field and demonstrate ultimate bounds with bounded disturbances. We also present two modifications: one for self-intersecting curves and another for obstacle avoidance. Given the vector field, we propose a control strategy for a quadcopter to follow a time-varying curve. First, control laws are developed to impose the behavior induced by the integral curves of the vector field to a second order integrator model. After that, control laws are developed to impose the dynamics of the controlled second order integrator to a quadcopter model, which assumes the total thrust and angular rates as input commands. Asymptotic convergence of the system is proved by showing input-to-state stability of individual layers. We analyze the influence of norm-bounded disturbances on control inputs to evaluate robustness, showing limited deviations from the target curve. Simulations illustrate the guidance and control methodologies, while experiments with different quadcopters and a ground robot in outdoor environments demonstrate the frameworks' real-world applicability. A simulation with a six-degree-of-freedom manipulator exemplifies the vector field's use in higher dimensions. | pt_BR |
dc.description.sponsorship | CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico | pt_BR |
dc.description.sponsorship | Outra Agência | pt_BR |
dc.language | eng | pt_BR |
dc.publisher | Universidade Federal de Minas Gerais | pt_BR |
dc.publisher.country | Brasil | pt_BR |
dc.publisher.department | ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA | pt_BR |
dc.publisher.program | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica | pt_BR |
dc.publisher.initials | UFMG | pt_BR |
dc.rights | Acesso Aberto | pt_BR |
dc.subject | Artificial vector field | pt_BR |
dc.subject | Guidance and navigation | pt_BR |
dc.subject | Quadcopter control | pt_BR |
dc.subject | Stability and robustness | pt_BR |
dc.subject.other | Robôs | pt_BR |
dc.subject.other | Robótica | pt_BR |
dc.title | Vector field based guidance and control strategies for robot navigation | pt_BR |
dc.title.alternative | Estratégias de guiagem e controle de navegação de robôs baseadas em campos vetoriais | pt_BR |
dc.type | Tese | pt_BR |
Appears in Collections: | Teses de Doutorado |
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