Autonomous mobile robot motion control

Abstract

Die grundlegende Aufgabe bei der Regelung autonomer mobiler Roboter ist es, den Roboter zu einer vorgegebenen Zielposition fahren zu lassen. Diese Aufgabe wird in eine Anzahl von Teilaufgaben zerlegt, die dann hierarchisch ausgef¨uhrt werden. Als erstes muss die Bewegung zum Zielpunkt geplant werden, d.h. eine Referenztrajektorie oder -pfad wird generiert (Trajektorienplanung).<br />Zweitens muss der Roboter seine aktuelle Position kennen, w¨ahrend er sich bewegt (Navigation). Drittens soll der Roboter so gesteuert werden, dass die Referenztrajektorie exakt ausgef¨uhrt wird (Bahnfolgeregelung).<br />Im Zuge der vorliegenden Arbeit wurden neuartige Konzepte f¨ur alle drei Teilaufgaben entwickelt und getestet:<br />Zur Trajektoriengenerierung werden verschiedene Kriterien gegeneinander abgewogen. Die Querbeschleunigungen w¨ahrend enger Kurven, die Zeitdauer bis zum Erreichen des Ziels, die gesamte Bogenl¨ange und die Glattheit der Kurve werden simultan optimiert, w¨ahrend harte Randbedingungen wie Maximalgeschwindigkeit, minimaler Kurvenradius (also maximaler Lenkeinschlag), Maximalbeschleunigung sowie minimaler Sicherheitsabstand zu Hindernissen genau eingehalten werden. Die vereinheitlichte mathematische Formulierung dieses Problems und seine numerische L¨osung stellen eine neue Errungenschaft dar.<br />Der entwickelte Navigationsalgorithmus leitet sich von einer bereits existierenden Idee her, wurde aber zu einem umfassenderen Konzept weiterentwickelt. Die Grundidee ist es, auf Grundlage der Raddrehungen zu navigieren, w¨ahrend das Durchrutschen der R¨ader st¨andig ¨uberwacht wird. Tritt ¨uberm¨aßiges Rutschen auf, wodurch die Navigation auf Basis der Raddrehungen unzuverl¨assig wird, wird auf Inertialsensoren wie Beschleunigungs- oder Gyrosensoren umgeschaltet, deren Genauigkeit ansonsten unzureichend ist. Die ¨Uberwachung erm¨oglicht auch Maßnahmen zur Beschr¨ankung des Rutschens.<br />Die Anwendung von pr¨adiktiver Regelung auf die Bahnfolgeregelung stellt eine neuartige Methode dar, mit gewissen mathematischen Schwierigkeiten bei der Regelung von mobilen Robotern umzugehen. Der Roboter ist in der Lage, seine Steuersignale auf Basis pr¨adizierter Bewegungen zu optimieren. Dieses Konzept hat große ¨Ahnlichkeit mit dem Verhalten eines menschlichen Lenkers.<br />M¨ogliche Anwendungen der pr¨asentierten Algorithmen sind autonome industrielle Transporteinrichtungen, autonome Fahrzeuge f¨ur den Einsatz in gef¨ahrlichen Umgebungen nach Naturkatastrophen oder Fahrerassistenzsyteme in der Automobilindustrie.<br />

The fundamental task in autonomous mobile robot motion control is to make the robot move to a specified goal position. This task is divided into a number of sub-tasks, which are executed in a hierarchical manner. Firstly, it is necessary to plan the motion to the goal, i.e. a reference trajectory or path is generated (trajectory generation). Secondly, the robot needs to keep track of its position while in motion (navigation). Thirdly, the robot needs to be driven such that the reference trajectory is accurately executed (tracking control).<br />In the course of this work novel concepts for all three sub-tasks were developed and tested:<br />For trajectory generation, various criteria are weighed against each other. Lateral accelerations during sharp turns, time to reach the goal, total arc length and smoothness of the curve are simultaneously minimised, while hard constraints such as maximum speed, minimum turning radius, maximum acceleration and minimum safety distance to obstacles are accurately met. The unified mathematical formulation of this problem and its numerical solution constitutes a novel achievement.<br />The developed navigation algorithm is derived from an existing idea but is extended to a more comprehensive concept. The idea is to navigate based on the wheel revolutions, while constantly monitoring the wheel slip. In case of excessive slip, which makes navigation based on wheel revolutions unreliable, inertial sensors such as acceleration and gyro sensors are substituted, whose accuracy is otherwise unsatisfactory. Monitoring also enables control measures to limit the slip.<br />The application of predictive control to trajectory tracking control constitutes an innovative way to deal with certain mathematical problems in mobile robot control. The robot is capable of optimising its control inputs based on a prediction of its movement.<br />This resembles closely the behaviour of a human driver.<br />Possible applications of the presented algorithms are autonomous industrial transport devices, autonomous vehicles for deployment to dangerous environments in case of natural disasters or driver-assist systems in automotive applications.