[논문 리뷰] A robust trajectory tracking controller for four-wheel skid-steering mobile robots

Jae‐Yun Jun, Minh‐Duc Hua외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 18.

Control and Dynamics of Mobile Robots참고 문헌 7인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 네바퀴 스키드스티어 이동 로봇을 위한 백스테핑 기반 궤적 추적 제어기를 제안하며, 이는 이전의 동적 피드백 선형화 방법에서 요구하던 비영속 속도 또는 가속도 측정이 필요 없이도 라플라스 안정성을 보장한다. 제어기는 센서 노이즈와 제어 지연 조건에서도 뛰어난 성능을 발휘하며, 피드백 선형화 방법이 실패하는 복잡한 곡선 궤적을 성공적으로 추적한다.

ABSTRACT

A novel dynamic model-based trajectory tracking control law is proposed for a four-wheel differentially driven mobile robot using a backstepping technique that guarantees the Lyapunov stability. The present work improves the work of Caracciolo et al. (ICRA 1999), a dynamic feedback linearization approach, by reducing the number of required assumptions and the number of state terms. We also thoroughly investigate on a gain tuning procedure which is often overlooked for nonlinear controllers. Finally, the performance of the proposed controller is compared with the dynamic feedback linearization approach via simulation results which indicate that our controller is robust even in the presence of measurement noise and control time delay.

연구 동기 및 목표

• 기존의 동적 피드백 선형화 제어기가 비영속 속도 및 가속도 측정을 요구하는 한계를 해결하고자 한다.
• 네바퀴 스키드스티어 이동 로봇을 위한 라플라스 안정성을 보장하는 궤적 추적 제어기를 개발하고자 한다.
• 궤적 추적에서 센서 노이즈와 제어 지연에 대한 강건성을 향상시키고자 한다.
• 비선형 시스템에서의 제어기 이득 조정의 영향을 조사하고 최적화하고자 한다.
• 연속적으로 변하는 곡률을 가지는 복잡한 궤적, 예를 들어 여덟 자형 라이사주 곡선과 같은 궤적에서 제어기 성능을 검증하고자 한다.

제안 방법

• 백스테핑 기법을 활용하여 동적 모델 기반 제어기를 설계하여 라플라스 안정성을 확보한다.
• 완전한 로봇 동역학에서 유도된 저차원 시스템을 기반으로 하며, 순시 회전 중심(ICR)을 모델링하기 위해 운영 비환원 제약 조건을 통합한다.
• 제어 법칙은 위치 및 속도 상태에만 의존하여 가속도 측정이 필요 없도록 한다.
• 제어기의 강건성을 향상시키기 위해 체계적인 이득 조정 절차를 개발하고 평가한다.
• 시뮬레이션 실험은 다변량 백색 가우시안 노이즈와 10 ms의 제어 지연(영구 보존)을 포함하여 실제 환경 조건을 모의한다.
• 제어기는 곡률이 연속적으로 변화하는 여덟 자형 라이사주 궤적에서 검증된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 백스테핑 기반 제어기는 네바퀴 스키드스티어 로봇에 대해 비영속 속도 또는 가속도 측정 없이도 라플라스 안정성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 제어기의 성능은 센서 노이즈와 제어 지연 조건에서 피드백 선형화 방법과 비교해 어떻게 나타나는가?
• RQ3 제어기 이득 조정은 비선형 시스템에서 추적 성능과 강건성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 안정성 보장에도 불구하고 추적 오차가 점점 수렴하지 않는 이유는 무엇인가?
• RQ5 여덟 자형 라이사주 곡선처럼 곡률이 급격히 변화하는 궤적을 강건하게 추적할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 백스테핑 제어기는 센서 노이즈와 10 ms의 제어 지연 조건에서도 여덟 자형 라이사주 궤적을 성공적으로 추적하는 반면, 피드백 선형화 제어기는 동일한 조건에서 실패한다.
• 제어기는 비영속 속도 또는 가속도 측정이 필요 없이도 안정성과 성능를 유지하여 이전 방법의 핵심 한계를 극복한다.
• 백색 가우시안 노이즈(σx=0.02 m, σẋ=0.08 m/s 등)가 추가되어도 추적 성능이 악화되지 않아 측정 노이즈에 대한 강건성을 입증한다.
• 오버콘스트레인팅 등식 제약 조건으로 인해 오차 진동 현상이 지속되며, 이를 부등식 제약으로 완화할 경우 점근적 수렴이 향상될 수 있음을 시사한다.
• 이득 조정 절차는 강건성에 있어 핵심적인 역할을 하며, 이의 철저한 분석은 본 연구의 주요 기여이다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 제어기가 현실적인 외란 조건에서 피드백 선형화 방법보다 강건성 면에서 뛰어나다는 것을 확인한다.