[論文レビュー] An Improved Active Disturbance Rejection Control for a Differential Drive Mobile Robot with Mismatched Disturbances and Uncertainties

Ibraheem Kasim Ibraheem, Wameedh Riyadh Abdul Adeem|arXiv (Cornell University)|May 25, 2018

Control and Dynamics of Mobile Robots参考文献 17被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、差動駆動移動ロボットにおける不一致擾乱とモデル不確実性に対処するため、改良型アクティブジャイロ制御（IADRC）を提案する。全擾乱を一致形に変換し、拡張状態観測器を用いることで、擾乱の効果的な推定とキャンセルが可能となり、シミュレーションにおいてチターリングを顕著に低減し、トルク擾乱に対するロバスト性が向上する。

ABSTRACT

In this paper a new strategy based on disturbance and uncertainty (DU) estimation and attenuation technique is proposed and tested on the nonlinear kinematic model of the differential drive mobile robot (DDMR). The proposed technique is an improved version of the Active Disturbance Rejection Control (ADRC) strategy suggested by J. Han. The ADRC is used to actively reject disturbances caused by the unknown exogenous signals and the matched uncertainties of the system model, which are lumped all together and attributed as a total disturbance. In this work, the considered system is assumed to be affine and the total disturbance and the input are considered to be on different channels. To deal with the mismatched disturbances and uncertainties, the total disturbance has been converted into a matched one. Then, based on the improved ADRC (IADRC), the dynamic performance of the DDMR has been enhanced by estimating the total disturbance and canceling it from the system. Through digital simulations, different performance measures are applied, and they all indicate the effectiveness of the proposed IADRC by almost removing the chattering phenomenon and providing a high immunity in the closed-loop system against torque disturbance.

研究の動機と目的

• 差動駆動移動ロボット（DDMR）における不一致擾乱とモデル不確実性の課題に対処すること。
• 外部擾乱およびパrametric不確実性下でのDDMRシステムの動的性能を向上させること。
• 不一致擾乱が存在する状況下でのアクティブジャイロ制御（ADRC）のロバスト性および安定性を向上させること。
• 正確なシステムモデルが不要な状態で、全擾乱を効果的に推定・キャンセルする制御戦略を開発すること。

提案手法

• 外部擾乱およびモデル不確実性を含む全擾乱を、単一の擾乱項に統合する。
• 座標変換を適用して、不一致擾乱を推定が容易な一致擾乱に変換する。
• 拡張状態観測器（ESO）を設計し、全擾乱をリアルタイムで推定する。
• 推定された擾乱を制御則に組み込み、システムのロバスト性を向上させる。
• 制御構造を差動駆動移動ロボットの非線形運動学モデルに適用する。
• さまざまな擾乱条件下での性能を検証するため、デジタルシミュレーションを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アクティブジャイロ制御を用いて、差動駆動移動ロボットにおける不一致擾乱をどのように効果的に取り扱えるか？
• RQ2 不一致擾乱を一致形に変換するための変換技術は何か？
• RQ3 提案されたIADRCは、従来のADRCと比較して、どの程度チターリングを低減するか？
• RQ4 不確実な条件下で、IADRCの擾乱抑制性能およびシステム安定性はどのように評価できるか？

主な発見

• 提案されたIADRCは、標準的なADRCと比較して、制御入力におけるチターリングを顕著に低減している。
• 効果的な擾乱推定とキャンセルのおかげで、トルク擾乱に対して高い免疫を示す。
• 拡張状態観測器は、モデル不確実性が存在する状況でも、全擾乱をリアルタイムで正しく推定できた。
• シミュレーション結果から、軌道追従における過渡応答および定常状態の精度が向上していることが示された。
• システムパrameter や擾乱モデルの正確な知識がなくても、すべての性能指標がロバストな性能を維持した。
• 評価されたすべての性能指標が、IADRCが閉ループシステムの安定性および擾乱抑制を向上させることの有効性を裏付けている。