طراحی کنترلگر زیربهینه‌ی توزیع شده برای آرایش‌بندی گروه ربات متحرک غیرهولونومیک در حضور موانع محیطی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 مجتمع دانشگاهی مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

2 مجتمع دانشگاهی مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.

3 مرکز علم و فناوری مهندسی مکاترونیک، دانشکده مهندسی برق و الکتروسرام، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، اصفهان، ایران

چکیده

این مقاله به طراحی کنترلگر برای آرایش‌بندی گروه ربات‌های متحرک غیرهولونومیک مبتنی بر روش زیربهینه‌ی توزیع شده در حضور موانع محیطی می‌پردازد. آرایش‌بندی گروه ربات‌های‌ متحرک یکی از مسائل مهم در حرکت گروهی و رفتار مشارکتی سیستم‌های چندعاملی است که قیود موجود بر روی مکانیزم‌های فرآیند و همچنین چالش‌ و محدودیت‌‌های محیط‌‌ دینامیکی ناشناخته بر پیچیدگی‌های کنترلی آن افزوده است. در این مقاله با ترکیب روش‌های رهبر-پیرو و رویکرد مبتنی بر رفتار برای هر یک از رفتارهای مطلوب نظر مانند تشکیل آرایش هندسی، تعقیب مسیر و اجتناب از برخورد، تابع هزینه‌ای تعریف شده و معادله دینامیک خطای آرایش به عنوان قید مسئله در نظر گرفته می‌شود. هدف طراحی یک قانون کنترل بهینه برای حرکت گروهی ربات‌ها به نحوی است که در محدودیت‌ها و قیود صدق کرده و در ضمن معیار معینی را حداقل نماید. در ادامه پایداری و بهینه‌ بودن سیستم حلقه ‌بسته نیز اثبات شده است. نتایج شبیه‌سازی،‌ کارایی و عملکرد مناسب کنترلگر طراحی ‌‌شده را به ‌خوبی نشان می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]   Arai T., Pagello E. and Parker L.E., Advances in multi-robot systems, IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 18, No. 5, pp. 655-661, 2002.
[2]   Ani Hsieh M., Chirikji An G., Distributed autonomous robotic systems. Springer, Berlin Heidelberg, 2014.
[3]   Keighobadi J. and Menhaj M. B., From Nonlinear to Fuzzy Approaches in Trajectory Tracking Control of Wheeled Mobile Robots, Asian Journal of Control, Vol. 14, No. 4, pp. 960-973, 2012.
[4]   Keighobadi, J., Shahidi, M.S., Khajeh, A.N. and Fazeli, K.A., Dynamic Based SMC of Nonholonomic Mobile Robots. Positioning, Vol. 4, No. 2, pp. 153-159, 2013.
[5]   Azizi M. R. and Keighobadi J., Point Stabilization of Nonholonomic Spherical Mobile Robot Using Nonlinear Model Predictive Control, Robotics and Autonomous Systems, Vol. 98, pp. 347-359, 2017.
[6]   Desai J.P., Ostrowski J.P., Kumer V., Modeling and control of formations of nonholonomic mobile robots. IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 17, No. 6, pp. 905-908, 2001.
[7]   Lima P.U., Custodio L.M., Multi-robot systems. In Innovations in Robot Mobility and Control, Springer, Berlin Heidelberg, 2005.
[8]   Dong W.J., Guo Y. and Farrell J.A., Formation control of nonholonomic mobile robots, American Control Conference, Minnesota, USA, 2006.
[9]   Savkin A.V., Wang C., Baranzadeh A., Xi Z., Nguyen H.T., Distributed formation building algorithms for groups of wheeled mobile robots. Robotics and Autonomous Systems, Vol. 75, No. 1, pp. 463-474, 2016.
[10]              Kowdiki K.H., Barai R.K. and Bhattacharya S., Leader-follower formation control using artificial potential functions: A kinematic approach, International Conference on Advances in Engineering, Science and Management, Nagapattinam, Tamil Nadu, India, 2012.
[11]              Loria A., Dasdemir J., Jarquin N.A., Leader-follower formation and tracking control of mobile robots along straight paths. IEEE Transactions on Control Systems Technology, Vol. 24, No. 2, pp. 727-732, 2016.
[12]              Lee G., Chwa D., Decentralized behavior-based formation control of multiple robots considering obstacle avoidance. Intelligent Service Robotics, Vol. 11, No. 1, pp. 127-138, 2018.
[13]              Xu D., Zhang X., Zhu Z., Chen C. and Yang P., Behavior-based formation control of swarm robots. Mathematical Problems in Engineering, Vol. 6, No. 1, pp. 1-13, 2014.
[14] فریطوس س.م.ر.، همایی ه. و هادیان جزی ش.، کنترل بهینه در برنامه‌ریزی مسیر بازوهای مکانیکی افزونه با رابط نهایی انعطاف‌پذیر براساس حرکت صلب در مساله تعقیب مسیر. مجلۀ مهندسی مکانیک دانشگاه تبریز، د. 47، ش. 3، ص 197-206، 1396.
[15]              Keighobadi, J., Fazeli, K.A. and Shahidi, M.S., Self-Constructing Neural Network Modeling and Control of an AGV. Positioning, Vol. 4, No. 2, pp. 160-168, 2013.
[16]              Pandey A, Pandey S, Parhi D.R., Mobile Robot Navigation and Obstacle Avoidance Techniques. International Journal of Robotics and Automation, Vol. 2, No. 3, pp. 1-12, 2017.
[17]              Wang G., Wang C., Du Q., Li L., Dong W., Distributed cooperative control of multiple nonholonomic mobile robots. Journal of Intelligent & Robotic Systems, Vol. 83, No. 3, pp. 525-541, 2016.
[18]              Wu Z., Hu G., Feng L., Wu J., Liu S., Collision avoidance for mobile robots based on artificial potential field and obstacle envelope modelling. Assembly Automation, Vol. 36, No. 3, pp. 318-332, 2016.
[19]              Kloetzer M., Mahulea C. and Gonzalez R., Optimizing cell decomposition path planning for mobile robots using different metrics. In 19th International Conference on System Theory, Control and Computing, Chelie Gradistei, Romania, 2015.
[20]              Iswanto I., Wahyunggoro O., Cahyadi A.L., Formation pattern based on modified cell decomposition algorithm. International Journal on Advanced Science, Engineering and Information Technology, Vol. 7, No. 3, pp. 829-835, 2017.
[21]  کیقبادی ج.، منهاج م. ب. و کبگانیان م.، کنترل غیر خطی روبات سیار چرخدار با روش محاسبات فازی. مجلۀ علمی پژوهشی امیرکبیر، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، د. 37، ش 2، ص 41-51.، 1385.
[22]              Keighobadi, J. and Menhaj, M.B., From Nonlinear to Fuzzy Approaches in Trajectory Tracking Control of Wheeled Mobile Robots. Asian Journal of Control, Vol. 14, No. 4, pp. 960-973, 2012.
[23]              Keighobadi, J., Sadeghi, M.S. and Fazeli, K.A., Dynamic Sliding Mode Controller for Trajectory Tracking of Nonholonomic Mobile Robots. IFAC Proceedings Volumes, Vol. 44, No. 1, pp. 962-967, 2011.
[24]              Ganeshmurthy M.S. and Suresh G.R., Path planning algorithm for autonomous mobile robot in dynamic environment. In 3rd International Conference on Signal Processing, Communication and Networking, Chennai, India, 2015.
[25]              Cheng Y., Jia R., Du H., Wen G., Zhu W., Robust finite time consensus formation control for multiple nonholonomic wheeled mobile robots via output feedback. International Journal of Robust and Nonlinear Control. Vol. 28, No. 6, pp. 2082-2096, 2018.
[26]              Siegwart R., Nourbakhsh I.R. and Scaramuzza D., Introduction to autonomous mobile robots. MIT press, Cambridge, 2011.
[27]              Diestel R., Graph Theory, Springer, Verlag, 2017.
[28]              Miao Z., Liu Y.H., Wang Y., Yi G., Fierro R., Distributed Estimation and Control for Leader-Following Formations of Nonholonomic Mobile Robots. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, Vol. 19, No. 1, pp. 1-9, 2018.
[29]              Wang Y., Wang D., Yang S., Shan M.A., Practical leader-follower tracking control scheme for multiple nonholonomic mobile robots in unknown obstacle environments. IEEE Transactions on Control Systems Technology, Vol. 26, No. 1, pp. 1-9, 2018.
[30]              Du H., Wen G., Cheng Y., He Y., Jia R., Distributed finite-time cooperative control of multiple high-order nonholonomic mobile robots. IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems, Vol. 28, No. 12, pp. 2998-3006, 2017.