Controle por modo deslizante de robôs móveis sobre rodas

Abstract

O controle de robôs móveis não holonômicos é um problema para o qual existem lacunas a serem preenchidas. As principais técnicas de controle têm desempenho limitado no tocante à robustez e implementação prática e ainda dificuldades no tratamento de restrições não holonômicas. O controle por modo deslizante é uma técnica que se mostra bastante adequada para tratar este problema, devido a sua característica de oferecer robustez restringindo o sistema. Todavia, a implementação prática da sua forma clássica, o controle por modos deslizantes de primeira ordem, sofre com efeitos de chattering, devido à excitação de dinâmicas rápidas negligenciadas e a limitação na frequência de chaveamento do sinal de controle. Algumas soluções conhecidas para compensar o chattering têm como desvantagem a redução de robustez. Uma técnica de controle por modo deslizante de segunda ordem é considerada como solução, pois minimiza o chattering mantendo suas propriedades de robustez. Trata-se do algoritmo super- twisting que além das características enumeradas, possui implementação simples e tem bom desempenho numérico. Neste trabalho, aborda-se o problema de controle de rastreamento de trajetória para um robô móvel sujeito a restrições não holonômicas cuja representação de estado é feita com um modelo cinemático em cascata com um modelo dinâmico. A solução proposta nesta tese é a síntese de uma estrutura de controle composta por um controlador cinemático e um controlador dinâmico. O controlador cinemático é sintetizado com a técnica de controle super-twisting e tem como principal produto restrições que ao serem impostas ao sistema garantem o rasteamento robusto de trajetórias. Para isso, gera um sinal de controle em velocidade a ser rastreado pelo controlador dinâmico, que consiste de uma lei de controle por dinâmica inversa com um controlador externo proporcional e derivativo (PD). O controle PD auxilia na redução de chattering, pois sua ação diminui a influência das dinâmicas negligenciadas. Para ilustrar as características dos controladores propostos, são apresentados resultados de simulação e experimentos obtidos em ensaios com um robô móvel sobre rodas diferencial de médio porte <br>

The control of mobile robots is still an open problem. The main control techniques have limited performance with respect to robustness and practical implementation and yet some difficulties in handlind nonholonomic restrictions. The sliding mode control is a technique that proves to be quite adequate to address this problem, due to its characteristic of offering robustness by constraining the system. However, the practical implementation of the classic form of this technique, the first order sliding mode control, suffers from chattering effects, due to the excitation of neglected fast dynamic and frequency limitation of the switching control signal. Some known solutions to overcome the chattering has the disadvantage of reducing the ideal robustness of the technique. A second order sliding mode control technique is considered as a solution since it minimizes this problem maintaining its robustness properties. This is the super-twisting algorithm that in addition to the features listed, its implementation is simple and has good numerical performance. This work addresses the trajectory tracking control problem for a mobile robot subject to nonholonomic constraints and represented in the state space by a kinematic model in cascade with a dynamic model. The proposed solution in this thesis is the synthesis of a control structure comprising a kinematic controller and a dynamic one. The kinematic controller is designed with the super-twisting control technique and has as main product restrictions that when imposed to the system ensure the robust trajectory tracking. For that, it generates a velocity control signal to be tracked by the dynamic controller, which consists of an inverse dynamic control law with proportional plus derivative (PD) control. The additional PD control law plays an important role in assisting in the reduction of chattering, as its action decreases the influence of neglected dynamics. To illustrate the characteristics of the proposed controllers, simulation and also experimental results are obtained in trials with a differential wheeled mobile robot.