Trajectory Tracking of Differential Drive Mobile Robot by Model Predictive Control

Rahul Sharma Kizhakke Illom, MSc

Doctoral thesis

Abstract:

The thesis proposes modelling of dynamics of a differential drive robot, and application of MPC in both the kinematics and dynamics parts. The thesis is divided in to three parts: kinematic modelling and predictive control, dynamic modelling and control, and Kino-Dynamics control. Firstly, the non-linear kinematic equations were linearized into two different models and nonlinear MPCs were applied with these models. The responses were compared with state-of-the-art controllers. Secondly, the mathematical model of dynamics of mobile robot was derived from first principles. The tangential and angular velocities were controlled by generating motor voltages by Linear MPC and the response was compared to PID controllers. Thirdly, the kinematic controllers and dynamic controllers were cascaded and a comparative study has been conducted with respect to different control structures. It has been noticed that, MPC of the dynamics part, can not only generate an optimal control action, but also can influence the kinematic part and decrease the overall tracking errors.

Abstract:

V práci je navrženo dvouúrovňové řízení pohybu mobilního dvoukolového robotu zajišťující sledování známé trajektorie. V obou úrovních je použit prediktivní regulátor s uvažováním omezení. Pro návrh řízení ve vyšší úrovni vycházející z kinematického modelu (závislost polohy a orientace robotu na jeho aktuální tangenciální a úhlové rychlosti) byly vytvořeny dva nelineární modely chyby sledování známé trajektorie. Pro návrh řízení v nižší úrovni a pro možnost simulačního ověření celého řízení robotu byl vytvořen metodou matematicko-fyzikální analýzy lineární dynamický model robotu popisující závislost jeho tangenciální a úhlové rychlosti na napětích elektromotorů pohánějící obě kola. Simulačně byly porovnány průběhy řízení pro různé struktury řízení i regulátory. Pozornost byla věnována zejména vlivu zanedbání dynamiky robotu a přínosu prediktivních regulátorů oproti standardně používaným řešením jak v kinematické tak i dynamické úrovni. Výsledky simulací ukazují, že prediktivní regulátor dynamické části, kromě respektování zadaných omezení, také ovlivňuje kinematickou část a zvyšuje celkovou kvalitu regulace.

Keywords

Prediktivní řízení, řízení pohybu mobilního robota, modelování, optimalizace

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 4. 2017

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Date of defence: 30. 5. 2017
• Supervisor: doc. Ing. František Dušek, CSc.

University of Pardubice

Faculty of Electrical Engineering and Informatics

Doctoral programme / field:
Electrical Engineering and Informatics / Information, Communication and Control Technologies