Whole-body control of a mobile manipulator using feedback linearization and dual quaternion algebra
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Dissertação de mestrado
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Resumo
Essa dissertação de mestrado apresenta o controle de corpo completo de um manipulador móvel não-holonômico utilizando controle por realimentação entrada-saída e álgebra de quatérnios duais. O controlador, cuja referência é um quatérnio dual unitário representandoa pose desejada do efetuador, age como um gerador dinâmico de trajetória para o efetuador, e os sinais de entrada tanto para a base móvel não-holonômica quanto para o braço manipulador são gerados utilizando a pseudo-inversa da matriz Jacobiana de corpo completo.Para lidar com as restrições de não-holonomia, o sinal de entrada para a base móvel gerado pelo controle de corpo completo é devidamente remapeado para garantir factibilidade. Restrições nos limites das juntas, existentes na plataforma real, são tratadas como restrições na matriz Jacobiana. A estabilidade de Lyapunov para o para o sistema em malha fechada é apresentada, utilizando o método direto de Lyapunov e o teorema de Matrosov, e resultados experimentais em uma plataforma real são realizados para comparar o esquema proposto com um controlador cinemático tradicional de corpo completo. Os resultadosmostram que, para uma taxa de convergência similar, o controlador não linear é capaz de gerar movimentos mais suaves, além de possuir menor esforço de controle do que o controlador linear.
Abstract
This master thesis presents the whole-body control of a nonholonomic mobile manipulator using feedback linearization and dual quaternion algebra. The controller, whose reference is a unit dual quaternion representing the desired end-effector pose, acts as a dynamictrajectory generator for the end-effector, and input signals for both nonholonomic mobile base and manipulator arm are generated by using the pseudoinverse of the whole-body Jacobian matrix. In order to deal with the nonholonomic constraints, the input signal to the mobile base generated by the whole-body motion control is properly remapped toensure feasibility. Joint constraints, which are present in the real platform, are treated by means of constraints in the Jacobian matrix. The Lyapunov stability for the closed-loop system is presented, utilizing Lyapunov's Direct Method and Matrosov's theorem, and experimental results on a real platform are performed in order to compare the proposed scheme to a traditional classic whole-body linear kinematic controller. The results show that, for similar convergence rate, the nonlinear controller is capable of generating smoother movements while having lower control effort than the linear controller.
Assunto
Teoria do controle não-linear, Engenharia elétrica, Robôs Sistemas de controle, Sistemas de controle por realimentação, Cinemática
Palavras-chave
Controle cinemático, Manipulador móvel não-holonômico, Realimentação entrada-saída, Quarténios duais, Controle não linear