[论文解读] 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 10

一句话总结

本文提出了一种改进的主动干扰抑制控制（IADRC），用于处理差速驱动移动机器人的不匹配干扰和模型不确定性。通过将总干扰转换为匹配形式并使用扩张状态观测器，该方法能有效估计并抵消干扰，显著减少抖振现象，并在仿真中增强了对转矩干扰的鲁棒性。

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.

研究动机与目标

• 解决差速驱动移动机器人（DDMRs）中不匹配干扰和模型不确定性的问题。
• 在外部干扰和参数不确定性下，提升DDMR系统的动态性能。
• 在存在不匹配干扰的情况下，改善主动干扰抑制控制（ADRC）的鲁棒性和稳定性。
• 开发一种能够有效估计并抵消总干扰的控制策略，而无需精确的系统模型。

提出的方法

• 将包括外生干扰和模型不确定性在内的总干扰合并为单一干扰项。
• 应用坐标变换，将不匹配干扰转换为更易估计的匹配干扰形式。
• 设计扩张状态观测器（ESO）以实时估计总干扰。
• 在控制律中主动抵消估计到的干扰，从而提高系统鲁棒性。
• 将该控制结构应用于差速驱动移动机器人的非线性运动学模型。
• 通过数字仿真验证在各种干扰条件下的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用主动干扰抑制控制有效处理差速驱动移动机器人中的不匹配干扰？
• RQ2 何种变换技术可实现不匹配干扰向匹配形式的转换，以改善估计效果？
• RQ3 与传统ADRC相比，所提出的IADRC在多大程度上减少了抖振？
• RQ4 在参数不确定条件下，IADRC在干扰抑制和系统稳定性方面表现如何？

主要发现

• 与标准ADRC相比，所提出的IADRC显著降低了控制输入中的抖振。
• 由于有效的干扰估计与抵消，系统对转矩干扰表现出高度免疫性。
• 扩张状态观测器成功实现了在模型不确定性条件下的总干扰实时估计。
• 仿真结果表明，轨迹跟踪的瞬态响应和稳态精度均得到改善。
• 该方法在无需精确掌握系统参数或干扰模型的情况下，仍保持鲁棒性能。
• 所有评估的性能指标均证实IADRC在提升闭环系统稳定性和干扰抑制能力方面的有效性。