Математическое моделирование траекторного управления движением трёхколесного мобильного робота

Цель. Повышение эффективности траекторного движения трехколесных роботов за счет разработки алгоритмов системы управления и подбора параметров на основании математического моделирования движения робота вдоль путевых точек, характеризующих требуемую траекторию движения. Разработка методов планирования траекторий трехколесного мобильного робота на основе алгоритма Pure Pursuit. Разработка математической модели устройства, позволяющей получить численное решение для управляемого движения робота по путевым точкам. Анализ результатов моделирования, с целью установления применимости предлагаемых решений для задач управления двухсекционным колесным роботом для ландшафтных работ.

Методы. В качестве основы при разработке системы управления траекторным движением робота используется алгоритм Pure Pursuit, позволяющий формировать траектории движения робота по путевым точкам с заданными параметрами движения. При разработке математической модели использовались методы теоретической механики, механики роботов, численного интегрирования, теории управления, электротехники и электромеханики. При создании программных продуктов использованы математические пакеты Matlab/Simulink.

Результаты. В результате проведенного исследования были обнаружены и подтверждены основные закономерности влияния параметра Lookahead Distance алгоритма траекторного движения Pure Pursuit на характер движения управляемого робота. Показано, что выбор величины данного параметра должен обосновываться задачами управления и условиями работы робота. Разработанная математическая модель позволила получить временные диаграммы для параметров движения робота, установить точность предлагаемых алгоритмов.

Заключение. В работе установлено, что предложенный в работе алгоритм Pure Pursuit может быть использован для осуществления траекторного управления колесных мобильных роботов. Метод не требует высокой производительности вычислительной системы и обеспечивает удовлетворительные качественные и количественные характеристики управления движением.

1. Ворочаева Л.Ю., Мальчиков А.В., Савин С.И Определение диапазонов допустимых значений геометрических параметров колесного прыгающего робота // Известия Юго-Западного государственного университета. 2018. Т. 22, № 2(77). С. 76-84. https://doi.org/10.21869/2223-1560-2018-22-2-76-84.

2. Извеков А. И., Остренко А. Г., Ветрогон А. А. Транспортно-технологический модуль для перемещения крупногабаритных грузов // Вестник молодежной науки. 2020. №. 2 (24). С. 10.

3. Ворочаева Л. Ю., Мальчиков А. В., Савин С. И. Обоснование и выбор схемы колесной прыгающей мониторинговой платформы // Транспортное машиностроение. 2018. №. 5 (66). С. 40-50.

4. Набиюллин А. Р., Кавалеров М. В. Многоцелевая колесная роботизированная платформа с низкой себестоимостью // Extreme Robotics. 2013. Т. 1. №. 1. С. 70-79.

5. Афонин Д.В., Печурин А.С., Яцун С.Ф. Моделирование автономного криволинейного движения роботизированной буксировочной системы воздушных судов // Проблемы машиностроения и надежности машин, 2022. № 2. С. 91-102

6. Кабалан А.Э.А., Гайдук А.Р., Абу Хамдан Н. Управление поворотами мобильного робота, подобного автомобилю // Известия Юго-Западного государственного университета. 2021. Т.25, №4. С. 134-144. https://doi.org/10.21869/2223-1560-2021-25-4-134-144.

7. Моделирование движения робота-тягача для транспортировки самолетов по аэродрому / С.Ф. Яцун, В.В. Бартенев, Е.Н. Политов, Д.В. Афонин // Известия ЮгоЗападного государственного университета. 2018. Т. 22, № 2(77). С. 34-43. https://doi.org/10.21869/2223-1560-2018-22-2-34-43.

8. Мартыненко Ю.Г., Управление движением мобильных колёсных роботов // Фундамент. и прикл. матем. 2005. Т. 11, № 8. С. 29–80; J. Math. Sci. 2007. 147:2. Р. 6569–6606.

9. Politov E., Afonin D., Bartenev V. Mathematical Modeling of Motion of a TwoSection Wheeled Robot // Proceedings of 14th International Conference on Electromechanics and Robotics “Zavalishin's Readings”. Springer, Singapore, 2020. P. 397-409.

10. Morin P., Samson C. Motion control of wheeled mobile robots //Springer handbook of robotics. 2008. Vol. 1. P. 799-826.

11. Dhaouadi R., Hatab A.A. Dynamic modelling of differential-drive mobile robots using lagrange and newton-euler methodologies: A unified framework // Advances in Robotics & Automation. 2013. Vol. 2, no. 2. P. 1.

12. Локтионова О.Г., Савельева Е.В., Политов E.Н. Алгоритм управления движением мобильной роботизированной платформы с изменяемым уровнем автономности // International Journal of Open Information Technologies. 2023. №4.

13. Martins F.N., Sarcinelli-Filho M., Carelli R. A velocity-based dynamic model and its properties for differential drive mobile robots // Journal of intelligent & robotic systems. 2017. Vol. 85, no. 2. P. 277.

14. Leena N., Saju K.K. Modelling and trajectory tracking of wheeled mobile robots // Procedia technology. 2016. T. 24. P. 538.

15. Lee K. et al. Design of fuzzy-PID controller for path tracking of mobile robot with differential drive // International Journal of Fuzzy Logic and Intelligent Systems. 2018. Vol. 18, no. 3. P. 220.

16. Wang B., Qian C., Chen Q. A Dynamics Controller Design Method for Car-like Mobile Robot Formation Control // MATEC Web of Conferences (EECR 2018). Vol. 160, Article No. 06003.

17. Ding Y. Three Methods of Vehicle Lateral Control: Pure Pursuit, Stanley and MPC. 2020.

18. Wang R. et al. A novel pure pursuit algorithm for autonomous vehicles based on salp swarm algorithm and velocity controller // IEEE Access. 2020. Vol. 8. P. 166525-166540.

19. Pure Pursuit Controller // Mathworks.com: сайт. URL: https://www.mathworks.com/help/robotics/ug/pure-pursuit-controller.html (дата обращения: 18.05.2022).

20. Ahn J. et al. Accurate path tracking by adjusting look-ahead point in pure pursuit method //International journal of automotive technology. 2021. Vol. 22, no. 1. P. 119-129.