Autonomous mobile robots now perform various tasks covering a vast area of applications, including exploration in unknown area, reconnaissance, rescue, industrial automation, security, military, rehabilitation, logistics, cleaning, and human welfare.
The topics of this dissertation are the time-optimal cornering trajectory planning of DWMRs avoiding slip. Based on dynamics including actuator motors, our cornering trajectory is planned which avoids slip while passing corner obstacles starting from initial state and reaching final state. We also use both the PWM signal and force bounds for the analysis of time-optimality.
Our studies are configured as three sub-problems according to the number of turns and given corner environment. We analyze each problem with the Pontryagin's maximum principle based on PWM signal and force bounds.
First, we formulate the time-optimal cornering trajectory planning problem, only utilizing a single turn which is the minimum number of turn for cornering motion, satisfying motor's voltage constraint and force constraints to avoid slip. We divide the trajectory into three sections, several intervals and sub-intervals to achieve goals and satisfy all constraints. Then we establish the time-optimal trajectory planning algorithm using the bang-bang principle or an extreme value of the force constraints. To validate the efficiency of the proposed solution, we conduct the simulations using the time-optimal trajectory compared with a TP-4PCI algorithm utilizing a single turn for cornering without slip avoidance. Also a trajectory control system for DWMRs is implemented using a resolved-acceleration controller with direct PWM signals to verify the proposed time-optimal trajectory.
Second, we investigate the time-optimal trajectory planning problem utilizing three turns. Our trajectories allow additional initial and final rotations to use various turning radius for cornering. We then analyze two local minima of arrival time considering both traveled distance and velocity decrease in rotation. Based on the local minima, we proposed an algorithm of time-optimal trajectory planning avoiding slip. To demonstrate the effectiveness of the algorithm, simulations and experiments using the proposed algorithm are performed and compared with that of TOTP algorithm, which is the recent algorithm utilizing three turns without slip avoidance.
Finally, we establish an efficient algorithm for time-optimal trajectory planning avoiding slip for an environment with multiple corners, based on the dynamics. We propose a hierarchical algorithm that is composed of trajectory parameter determination (TPD) and trajectory planning synthesis (TPS). TPD determines parameters of clipping point, which enable trajectory division into independent sections between corners to adopt divide-and-conquer strategy. TPS plans and integrates sections in the trajectory efficiently. To verify the validity of the proposed solution, simulations and experiments are also performed and compared with that of TOTP algorithm.
자율 주행 이동 로봇은 알려지지 않은 지역에서의 탐사, 정찰, 구조, 산업 자동화, 보안, 군사, 재활, 물류 운송, 배달, 청소 및 인간의 복지를 위한 광범위한 응용 분야에서 다양한 작업을 수행하고 있다.
본 논문의 주제는 차륜 이동 로봇을 위한 미끄러짐이 없는 최소 시간 코너링 궤적을 계획하는 것이다. 이동 로봇의 운동학과 모터의 구동 전압 제한 조건을 포함한 동역학 뿐 아니라 미끄러짐의 방지 또한 고려하여 초기 상태로부터 코너 장애물을 피해 최종 상태에 도달할 수 있는 궤적을 계획한다. 그리고 최소 시간 궤적 계획을 위해 실효적인 전압 제한 조건인 PWM 신호 제한 조건과 미끄러짐 방지를 위한 힘 제한 조건을 고려한다.
본 연구는 코너링을 위한 회전의 수 및 코너 환경에 따라 세 가지 하위 문제로 구성된다. 우리는 모든 문제를 PWM 신호 입력과 힘 제한 조건을 고려한 폰트랴긴의 최대 원리에 기반하여 분석하였다.
우선, 코너링을 위한 최소 회전의 수인 하나의 회전을 이용하여 미끄러짐이 일어나지 않도록 모터의 전압 제한 및 힘 제한 조건을 만족하는 최소 시간 코너링 궤적 계획 알고리즘을 제안한다. 이동 로봇의 움직임 특성 및 제한 조건에 따라 전체 궤적을 섹션으로, 섹션을 구간으로, 그리고 구간을 보조 구간으로 나눈다. 그리고, 뱅뱅 제어 입력 또는 제한 조건 내의 최대 또는 최소의 힘 사용 조건을 기반으로 최소 시간 궤적을 계획한다. 제안한 방법의 효율성을 확인하기 위하여 모의 실험 결과를 통해 기존의 미끄러짐을 고려하지 않고 하나의 회전을 이용한 유사 연구 방법인 TP-4PCI 알고리즘과 비교하였고, 힘 제한 조건을 벗어나지 않아 안전하고 안정적인 주행이 가능한 궤적임을 보였다. 또한 제안한 방법의 실효성을 검증하기 위해 직접적인 PWM 신호 제어가 가능한 RMAC 제어기를 이용하여 차륜 이동 로봇을 위한 궤적 제어 시스템을 구현하였고 실험을 통해 계획된 궤적이 미끄러짐이 없이 비교적 정확히 추종 가능한 궤적임을 보였다.
두번째로 코너링을 위해 세 개의 회전을 사용하는 최소 시간 궤적을 계획한다. 해당 궤적은 다양한 회전 반경의 사용을 위해 시작과 끝 구간의 회전을 허용한다. 이를 이용하여 이동 거리 뿐 아니라 회전 구간에서의 선속도 감소 또한 고려할 수 있고, 도착 시간에 대한 분석을 통해 두 개의 국소 최소값을 확인한다. 이를 바탕으로 미끄러짐이 일어나지 않는 최소 시간 코너링 궤적 계획 알고리즘을 제안한다. 알고리즘의 효과를 확인하기 위해 모의 실험과 실험을 통해 기존의 미끄러짐을 고려하지 않고 세 개의 회전을 사용하는 최신 유사 연구인 TOTP 알고리즘과 비교 분석하였다.
마지막으로 다수의 코너 환경에서 미끄러짐이 없는 효율적인 최소 시간 궤적 계획 알고리즘을 제안한다. 제안한 계층적 알고리즘은 궤적 파라미터 결정 알고리즘과 궤적 계획 합성 알고리즘을 포함한다. 궤적 파라미터 결정 알고리즘은 복잡한 다수의 코너 환경에 대해 효율적인 궤적 계획을 가능하게 하는 분할 정복 전략을 사용하기 위해 궤적의 분할 기준이 되는 클리핑 포인트의 파라미터를 결정한다. 그리고 궤적 계획 합성 알고리즘은 분할한 섹션을 독립적으로 계획한 후, 각 섹션을 효율적으로 통합한다. 모의 실험 및 실험을 통하여 다수의 코너 환경에서 제안한 알고리즘이 TOTP 알고리즘보다 미끄러짐이 없이 비교적 정확히 추종 가능한 궤적을 계획했음을 확인할 수 있다.
