Longitudinal control strategies for unmanned ground behicles in uneven terrains
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Dissertação de mestrado
Título alternativo
Estratégias de controle longitudinal para veículos terrestres não tripulados em terrenos irregulares
Primeiro orientador
Membros da banca
Gustavo Medeiros Freitas
João Pedro Hallack Sansão
Victor Costa da Silva Campos
João Pedro Hallack Sansão
Victor Costa da Silva Campos
Resumo
This work presents control strategies to track longitudinal trajectories by an unmanned ground
vehicle, considering changes in terrain type and conditions. It also features the design and
construction of a small, off-road, four-wheeled, Ackermann platform, able to travel in uneven
terrains.
In several scenarios of mobile robot’s application, as in mining and agriculture tasks, it is
necessary to drive on irregular and unstructured terrains. This may directly affect the vehicle
performance while executing these tasks at higher speeds. These terrain irregularities, as well as
changes in the soil type and changes in the load carried by the robot, are disturbances that affect
the robot dynamics, causing difficulties in the point of view of navigation and speed control.
In view of these problems, a simple platform was built, which can be used in irregular terrains, to
perform semi-autonomous tasks. Thus, to achieve this autonomous tracking, this thesis proposes
two control techniques to reduce the effect of ground disturbances and changes in the robot
mass during the execution of a task: Robust PID controller, tuned by an LMI approach, and a
nonlinear controller, tuned by a Backstepping technique, with integral action.
This platform is equipped with low-cost sensors and embedded computers. Simulation and
real-life experiments are presented to illustrate the performance of each designed controller.
Abstract
Este trabalho aborda estratégias de controle longitudinal para rastreamento de trajetórias de
referência por um veículo terrestre não tripulado, considerando alterações no tipo e nas condições
do terreno. Também apresenta a construção de uma plataforma móvel off-road de quatro rodas,
com arquitetura Ackermann, em escala reduzida, para realização de tarefas em um ambiente de
terreno irregular.
Em vários cenários de aplicação de um robô móvel terrestre, como nas tarefas de mineração
e agricultura, deve-se trafegar por terrenos irregulares e não-estruturados. Isso pode afetar o
desempenho do veículo durante a execução dessas tarefas em velocidades mais altas. Essas
irregularidades no terreno, bem como mudanças no tipo do solo e alterações na carga transportada
pelo robô, são distúrbios que afetam a dinâmica do robô, acarretando dificuldades no ponto de
vista do controle de velocidade e navegação.
Tendo em vista esses problemas, propõe-se a construção de uma plataforma, que possibilite a
sua utilização em terrenos irregulares, para realização de tarefas de forma semi-autônoma. Dessa
forma, duas técnicas de controle em espaço de estados são abordadas visando reduzir o efeito
dos distúrbios causados pelo terreno e por eventuais mudanças no robô durante a execução de
uma tarefa: um controlador Robusto PID, sintonizado por meio de LMIs, e um controlador não
linear, sintonizado por técnica Backstepping com ação integral no erro.
A plataforma construída foi equipada com sensores de baixo custo e um computador embarcado,
possibilitando testes reais para avaliação do desempenho de cada controlador projetado.
Assunto
Engenharia elétrica, Veículos autônomos, Controle robusto, Teoria do controle não-linear
Palavras-chave
Autonomous ground vehicle, Trajectory tracking, Robust control, Nonlinear control, Mobile robots
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