[論文レビュー] Implementation of Torque Controller for Brushless Motors on the Omni-directional Wheeled Mobile Robot

Piyamate Wasuntapichaikul, Kanjanapan Sukvichai+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2017

Control and Dynamics of Mobile Robots参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、摩擦が変化する床面における経路追従精度の向上を目的として、多方向走行用のブラシレスDCモーターに向けたトルク制御器を提案する。エネルギー保存則に基づくモーター動特性を組み込んだPI制御と統合することで、表面状態の変化に関わらず一貫したホイールトルクを維持する制御系を構築した。3種類の異なる摩擦係数を有するカーペットを用いた実験において、標準的なPI制御に比べて優れた経路追従性能を示した。

ABSTRACT

The major issue for the wheeled mobile robot is the low level controller gains tuning up especially in the robot competition. The floor surface can be damaged by the robot wheels during the competition, therefore the surface coefficient can be changed over time. PI gains have to be tuned before every match along the competition. In this research, the torque controller is defined and implemented in order to solve this problem. Torque controller consists of a PI controller for the robot wheel's angular velocity and a dynamic equation of brushless motor. The motor dynamics can be derived from the energy conservation law. Three different carpets, which have the different friction coefficients, are used in the experiments. The robot wheel's angular velocity profiles are generated from the robot kinematics with different initial conditions. The output paths of the robot with the torque controller are compared with the output paths of the robot with regular PI controller when the same wheel angular velocity profiles are applied. The results show that the torque controller can provide a better robot path than the normal PI controller.

研究の動機と目的

• ロボットコンテスト中に床面の摩擦が変化することによる経路性能のばらつきを是正すること。
• 各試合前にPIゲインの再調整に依存するのを減らすために、頑健なトルク制御戦略を実装すること。
• 物理ベースのモーターモデルを用いて、多様な床面での経路追従精度を向上させること。
• 同一のホイール速度プロファイル下で、標準的なPI制御と比較してトルク制御器の有効性を検証すること。

提案手法

• ホイールの角速度を所望の軌道に基づいて制御するためのPI制御器を設計する。
• エネルギー保存則を用いてブラシレスモーターの動特性をモデル化し、トルク-回転速度関係を捉える。
• PI制御の出力をモーターの動的モデルと組み合わせることで、正確なトルク指令値を生成するトルク制御器を構築する。
• 実世界の表面変動を再現するため、摩擦係数が異なる3種類のカーペットを用いた実験を実施する。
• 同一の角速度プロファイルを用いて、トルク制御器と標準的なPI制御の間で経路追従性能を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トルク制御器は、摩擦が変化する床面における移動ロボットの経路ずれを低減できるか？
• RQ2 モーター動特性を統合することで、標準的なPI制御に比べて制御の頑健性がどのように向上するか？
• RQ3 異なる摩擦係数を有するカーペットの種類にかかわらず、提案手法は一貫した性能を維持できるか？
• RQ4 トルク制御器は、ロボットコンテストの前に行うPIゲインの手動再調整の必要性をどの程度低減できるか？

主な発見

• 3種類のカーペットすべてにおいて、トルク制御器は標準的なPI制御に比べて顕著に経路追従精度が向上した。
• 床面の摩擦が運転中に変化しても、トルク制御器を搭載したロボットは一貫した軌道を維持した。
• 本手法により、ホイールスリップの低減と変動する条件下でのトルク応答性の向上により、経路ずれが最小限に抑えられた。
• 異なる表面に対して再調整を要せず、制御器の性能は安定的かつ再現可能であった。