[논문 리뷰] 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)|2018. 05. 25.

Control and Dynamics of Mobile Robots참고 문헌 17인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 미끄럼 없는 차량 구동 방식을 갖춘 이동 로봇에서 비일치하는 외란과 모델 불확실성을 다루기 위해 개선된 능동 외란 제어(IADRC)를 제안한다. 전체 외란을 일치형으로 변환하고 확장 상태 관측기를 사용하여 외란을 효과적으로 추정하고 제거함으로써, 시뮬레이션에서 제어 입력의 진동 감소와 외부 토크 외란에 대한 강건성 향상에 기여한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 이중 구동 이동 로봇(DDMR)에서 비일치 외란과 모델 불확실성 문제를 해결하기 위해.
• 외부 외란과 매개변수 불확실성 하에서 DDMR 시스템의 동적 성능을 향상시키기 위해.
• 비일치 외란 존재 시 능동 외란 제어(ADRC)의 강건성과 안정성을 향상시키기 위해.
• 정확한 시스템 모델이 필요 없이 총 외란을 효과적으로 추정하고 제거할 수 있는 제어 전략을 개발하기 위해.

제안 방법

• 외부 외란과 모델 불확실성을 포함한 총 외란은 하나의 외란 항목으로 통합된다.
• 비일치 외란을 추정하기 용이한 일치형 외란으로 변환하기 위해 좌표 변환이 적용된다.
• 실시간으로 총 외란을 추정하기 위해 확장 상태 관측기(ESO)가 설계된다.
• 추정된 외란은 제어 법칙에 의해 능동적으로 보상되며, 이로 인해 시스템의 강건성이 향상된다.
• 제어 구조는 이중 구동 이동 로봇의 비선형 운동학 모델에 적용된다.
• 다양한 외란 조건 하에서 성능을 검증하기 위해 디지털 시뮬레이션이 수행된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 능동 외란 제어를 활용하여 이중 구동 이동 로봇의 비일치 외란을 효과적으로 다룰 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 비일치 외란을 일치형으로 변환하기 위해 사용할 수 있는 변환 기법은 무엇인가?
• RQ3 제안된 IADRC는 기존 ADRC 대비 얼마나 진동을 감소시키는가?
• RQ4 불확실 조건 하에서 IADRC는 외란 제거 성능과 시스템 안정성 측면에서 어떻게 성과를 내는가?

주요 결과

• 제안된 IADRC는 표준 ADRC 대비 제어 입력의 진동을 크게 감소시킨다.
• 효과적인 외란 추정 및 보상 덕분에 토크 외란에 대해 높은 면역성을 보인다.
• 확장 상태 관측기는 모델 불확실성 하에서도 실시간으로 총 외란을 성공적으로 추정한다.
• 시뮬레이션 결과, 궤적 추적의 일시적 응답 향상과 정상 상태 정밀도 향상이 확인된다.
• 시스템 매개변수나 외란 모델에 대한 정확한 지식이 없이도 모든 성능 지표에서 뛰어난 강건한 성능 유지를 유지한다.
• 모든 평가 성능 지표는 IADRC가 닫힘 루프 시스템의 안정성 향상과 외란 제거 능력을 향상시키는 데 효과적임을 확인한다.