[論文レビュー] A robust trajectory tracking controller for four-wheel skid-steering mobile robots

Jae‐Yun Jun, Minh‐Duc Hua+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2014

Control and Dynamics of Mobile Robots参考文献 7被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、四輪スライドステアリング移動ロボットのバックステッピングベースの軌道追従制御器を提案し、従来の動的フィードバック線形化手法が抱える非ゼロの速度・加速度測定を必要としないという、リャプノフ安定性を保証する。この制御器は、センサノイズおよび制御遅延に対しても頑健な性能を示し、フィードバック線形化手法が失敗する複雑な曲線軌道を効果的に追従する。

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.

研究の動機と目的

• 従来の動的フィードバック線形化制御器が非ゼロの速度および加速度測定を必要とするという制限を解消すること。
• 四輪スライドステアリングロボットに対してリャプノフ安定性を保証する軌道追従制御器を開発すること。
• 軌道追従におけるセンサノイズおよび制御時間遅延に対する頑健性を向上させること。
• 非線形系における制御ゲインチューニングの調査と最適化を行うこと。
• 曲率が変化する複雑な軌道、例えば8の字型のリサージュ曲線のような軌道での制御器性能の検証を行うこと。

提案手法

• バックステッピング技術を用いて、動的モデルに基づく制御器を設計し、リャプノフ安定性を保証する。
• 完全なロボットダイナミクスから導かれる低次元化されたシステムに基づき、一時的な回転中心（ICR）をモデル化するための操作的非ホロノミック制約を組み込む。
• 制御則は位置および速度状態にのみ依存し、加速度測定の必要性を排除する。
• 制御器の頑健性を向上させるための体系的で評価可能なゲインチューニング手順を確立する。
• シミュレーション実験では、多変量の白色ガウスノイズとゼロ次ホールドによる10 msの制御時間遅延を加え、実世界の状況を模擬する。
• 曲率が連続的に変化する8の字型リサージュ軌道上で制御器を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バックステッピングベースの制御器は、非ゼロの速度または加速度測定を必要とせずに、四輪スライドステアリングロボットに対してリャプノフ安定性を達成できるか？
• RQ2 本稿で提案する制御器は、センサノイズおよび制御時間遅延の下で、動的フィードバック線形化法と比較してどのように性能を発揮するか？
• RQ3 制御ゲインチューニングが非線形系における追従性能および頑健性に与える影響は何か？
• RQ4 安定性の保証があるにもかかわらず、追従誤差が漸近的に収束しないのはなぜか？
• RQ5 8の字型リサージュ曲線のような曲率が急激に変化する軌道を、制御器が頑健に追従できるか？

主な発見

• 提案されたバックステッピング制御器は、センサノイズおよび10 msの制御時間遅延の下でも、8の字型リサージュ軌道を効果的に追従するが、フィードバック線形化制御器は同様の条件下で失敗する。
• 非ゼロの速度または加速度測定を必要とせず、従来手法の主な制限を克服した上で、安定性と性能を維持する。
• 白色ガウスノイズ（σx=0.02 m, σẋ=0.08 m/s など）の追加によっても追従性能が劣化せず、測定ノイズに対する頑健性を示す。
• 誤差の振動が残存するのは、ICR位置に過剰に制約を課した等式制約に起因するため、これを不等式制約に緩和することで漸近的収束が改善される可能性がある。
• ゲインチューニング手順は頑健性にとって極めて重要であり、本研究の主な貢献の一つである。
• シミュレーション結果から、本稿で提案する制御器は、現実の摂動下での頑健性という点で、フィードバック線形化手法を上回ることが確認された。